Per gli scienziati moderni, un buco nero è uno dei fenomeni più misteriosi del nostro universo. Lo studio di tali oggetti è difficile, non è possibile provarli "per esperienza". La massa, la densità della sostanza di un buco nero, i processi di formazione di questo oggetto, le dimensioni - tutto ciò suscita interesse tra gli specialisti e, a volte, sconcerto. Consideriamo l'argomento in modo più dettagliato. Per prima cosa, analizziamo cos'è un tale oggetto.
Informazioni generali
Una caratteristica sorprendente di un oggetto cosmico è la combinazione di un piccolo raggio, un' alta densità di materia del buco nero e una massa incredibilmente grande. Tutte le proprietà fisiche attualmente note di un tale oggetto sembrano strane agli scienziati, spesso inspiegabili. Anche gli astrofisici più esperti restano stupiti dalle peculiarità di tali fenomeni. La caratteristica principale che consente agli scienziati di identificare un buco nero è l'orizzonte degli eventi, ovvero il confine a causa del qualenulla ritorna, luce compresa. Se una zona è permanentemente separata, il confine di separazione viene designato come orizzonte degli eventi. Con la separazione temporanea, la presenza di un orizzonte visibile è fissata. A volte temporale è un concetto molto vago, cioè la regione può essere separata per un periodo che supera l'età attuale dell'universo. Se c'è un orizzonte visibile che esiste da molto tempo, è difficile distinguerlo dall'orizzonte degli eventi.
In molti modi, le proprietà di un buco nero, la densità della sostanza che lo forma, sono dovute ad altre qualità fisiche che operano nelle leggi del nostro mondo. L'orizzonte degli eventi di un buco nero sfericamente simmetrico è una sfera il cui diametro è determinato dalla sua massa. Maggiore è la massa tirata verso l'interno, maggiore è il foro. Eppure rimane sorprendentemente piccolo sullo sfondo delle stelle, poiché la pressione gravitazionale comprime tutto all'interno. Se immaginiamo un buco la cui massa corrisponde al nostro pianeta, il raggio di un tale oggetto non supererà alcuni millimetri, cioè sarà dieci miliardi in meno rispetto alla terra. Il raggio prende il nome da Schwarzschild, lo scienziato che per primo dedusse i buchi neri come soluzione alla teoria della relatività generale di Einstein.
E dentro?
Dopo essere entrato in un oggetto del genere, è improbabile che una persona noti un'enorme densità su se stessa. Le proprietà di un buco nero non sono ben comprese per essere sicuri di cosa accadrà, ma gli scienziati ritengono che non si possa rivelare nulla di speciale quando si attraversa l'orizzonte. Questo è spiegato dall'equivalente einsteinianoprincipio che spiega perché il campo che forma la curvatura dell'orizzonte e l'accelerazione inerente al piano non differiscono per l'osservatore. Quando segui il processo di attraversamento a distanza, puoi vedere che l'oggetto inizia a rallentare vicino all'orizzonte, come se il tempo passasse lentamente in questo luogo. Dopo qualche tempo, l'oggetto attraverserà l'orizzonte, cadrà nel raggio di Schwarzschild.
La densità della materia in un buco nero, la massa di un oggetto, le sue dimensioni e le forze di marea e il campo gravitazionale sono strettamente correlati. Maggiore è il raggio, minore è la densità. Il raggio aumenta con il peso. Le forze di marea sono inversamente proporzionali al peso al quadrato, ovvero, all'aumentare delle dimensioni e al diminuire della densità, le forze di marea dell'oggetto diminuiscono. Sarà possibile superare l'orizzonte prima di notare questo fatto se la massa dell'oggetto è molto grande. Agli albori della relatività generale si credeva che ci fosse una singolarità all'orizzonte, ma non era così.
Informazioni sulla densità
Come hanno dimostrato gli studi, la densità di un buco nero, a seconda della massa, può essere maggiore o minore. Per oggetti diversi, questo indicatore varia, ma diminuisce sempre all'aumentare del raggio. Possono comparire buchi supermassicci, che si formano in modo estensivo a causa dell'accumulo di materiale. In media, la densità di tali oggetti, la cui massa corrisponde alla massa totale di diversi miliardi di luminari nel nostro sistema, è inferiore alla densità dell'acqua. A volte è paragonabile al livello di densità del gas. La forza di marea di questo oggetto viene attivata già dopo che l'osservatore ha attraversato l'orizzonteeventi. L'ipotetico esploratore non sarebbe stato danneggiato mentre si avvicinava all'orizzonte e sarebbe caduto per molte migliaia di chilometri se avesse trovato protezione dal plasma del disco. Se l'osservatore non si guarda indietro, non noterà che l'orizzonte è stato attraversato, e se gira la testa, probabilmente vedrà i raggi di luce congelati all'orizzonte. Il tempo per l'osservatore scorrerà molto lentamente, sarà in grado di seguire gli eventi vicino al buco fino al momento della morte - lei o l'Universo.
Per determinare la densità di un buco nero supermassiccio, devi conoscerne la massa. Trova il valore di questa quantità e il volume di Schwarzschild inerente all'oggetto spaziale. In media, un tale indicatore, secondo gli astrofisici, è eccezionalmente piccolo. In una percentuale impressionante di casi, è inferiore al livello di densità dell'aria. Il fenomeno si spiega come segue. Il raggio di Schwarzschild è direttamente correlato al peso, mentre la densità è inversamente correlata al volume, e quindi il raggio di Schwarzschild. Il volume è direttamente correlato al raggio al cubo. La massa aumenta linearmente. Di conseguenza, il volume cresce più velocemente del peso e la densità media diventa minore, maggiore è il raggio dell'oggetto in studio.
Curioso di sapere
La forza di marea inerente a un buco è un gradiente della forza di gravità, che è abbastanza grande all'orizzonte, quindi anche i fotoni non possono scappare da qui. Allo stesso tempo, l'aumento del parametro avviene in modo abbastanza regolare, il che consente all'osservatore di superare l'orizzonte senza rischi per se stesso.
Studi sulla densità di un buco nero inil centro dell'oggetto è ancora relativamente limitato. Gli astrofisici hanno stabilito che più vicina è la singolarità centrale, maggiore è il livello di densità. Il meccanismo di calcolo menzionato in precedenza ti consente di avere un'idea molto media di ciò che sta accadendo.
Gli scienziati hanno idee estremamente limitate su ciò che sta accadendo nel buco, la sua struttura. Secondo gli astrofisici, la distribuzione della densità in un buco non è molto significativa per un osservatore esterno, almeno al livello attuale. Specificazione molto più informativa di gravità, peso. Più grande è la massa, più forte è il centro, l'orizzonte, sono separati l'uno dall' altro. Ci sono anche ipotesi del genere: appena oltre l'orizzonte, la materia è assente in linea di principio, può essere rilevata solo nelle profondità dell'oggetto.
Ci sono numeri noti?
Gli scienziati hanno pensato a lungo alla densità di un buco nero. Sono stati effettuati alcuni studi, sono stati fatti tentativi di calcolo. Eccone uno.
La massa solare è 210^30 kg. Un buco può formarsi nel sito di un oggetto che è diverse volte più grande del Sole. La densità della buca più leggera è stimata in media a 10^18 kg/m3. Questo è un ordine di grandezza superiore alla densità del nucleo di un atomo. Approssimativamente la stessa differenza dal livello di densità medio caratteristico di una stella di neutroni.
È possibile l'esistenza di buchi ultraleggeri, le cui dimensioni corrispondono a particelle subnucleari. Per tali oggetti, l'indice di densità sarà proibitivo.
Se il nostro pianeta diventa un buco, la sua densità sarà di circa 210^30 kg/m3. Tuttavia, gli scienziati non sono stati in grado di farlorivelano i processi a seguito dei quali la nostra casa spaziale può essere trasformata in un buco nero.
Sui numeri in modo più dettagliato
La densità del buco nero al centro della Via Lattea è stimata in 1,1 milioni di kg/m3. La massa di questo oggetto corrisponde a 4 milioni di masse solari. Il raggio del foro è stimato a 12 milioni di km. La densità indicata del buco nero al centro della Via Lattea dà un'idea dei parametri fisici dei buchi supermassicci.
Se il peso di un oggetto è 10^38 kg, cioè è stimato in circa 100 milioni di Soli, la densità di un oggetto astronomico corrisponderà al livello di densità del granito che si trova sul nostro pianeta.
Tra tutti i buchi conosciuti dagli astrofisici moderni, uno dei buchi più pesanti è stato trovato nel quasar OJ 287. Il suo peso corrisponde a 18 miliardi di luminari del nostro sistema. Qual è la densità di un buco nero, gli scienziati hanno calcolato senza troppe difficoltà. Il valore si è rivelato incredibilmente piccolo. È solo 60 g/m3. Per fare un confronto: l'aria atmosferica del nostro pianeta ha una densità di 1,29 mg/m3.
Da dove vengono i buchi?
Gli scienziati non solo hanno condotto ricerche per determinare la densità di un buco nero rispetto alla stella del nostro sistema o ad altri corpi cosmici, ma hanno anche cercato di determinare da dove provengono i buchi, quali sono i meccanismi per la formazione di tali oggetti misteriosi. Ora c'è un'idea di quattro modi per l'aspetto dei buchi. L'opzione più comprensibile è il crollo di una stella. Quando diventa grande, la sintesi nel nucleo è completata,la pressione scompare, la materia cade al baricentro, quindi appare un buco. Man mano che ti avvicini al centro, la densità aumenta. Prima o poi, l'indicatore diventa così significativo che gli oggetti esterni non sono in grado di superare gli effetti della gravità. Da questo punto in poi, appare un nuovo buco. Questo tipo è più comune di altri ed è chiamato buchi di massa solare.
Un altro tipo di buco abbastanza comune è quello supermassiccio. Questi sono più spesso osservati nei centri galattici. La massa dell'oggetto rispetto al buco di massa solare descritto sopra è miliardi di volte maggiore. Gli scienziati non hanno ancora stabilito i processi di manifestazione di tali oggetti. Si presume che prima si formi un buco secondo il meccanismo sopra descritto, quindi le stelle vicine vengano assorbite, il che porta alla crescita. Ciò è possibile se la zona della galassia è densamente popolata. L'assorbimento della materia avviene più velocemente di quanto lo schema di cui sopra possa spiegare, e gli scienziati non possono ancora indovinare come procede l'assorbimento.
Ipotesi e idee
Un argomento molto difficile per gli astrofisici sono i buchi primordiali. Tali, probabilmente, appaiono da qualsiasi massa. Possono formarsi in grandi fluttuazioni. Probabilmente, la comparsa di tali buchi è avvenuta nell'Universo primordiale. Finora, gli studi dedicati alle qualità, alle caratteristiche (inclusa la densità) dei buchi neri, ai processi del loro aspetto non ci consentono di determinare un modello che riproduca accuratamente il processo dell'aspetto di un buco primario. I modelli attualmente conosciuti sono prevalentemente tali che, se fossero implementati nella re altà,ci sarebbero troppi buchi.
Supponiamo che il Large Hadron Collider possa diventare una fonte di formazione di un buco, la cui massa corrisponde al bosone di Higgs. Di conseguenza, la densità del buco nero sarà molto grande. Se una tale teoria è confermata, può essere considerata una prova indiretta della presenza di dimensioni extra. Al momento, questa conclusione speculativa non è stata ancora confermata.
Radiazioni da un buco
L'emissione di un buco è spiegata dagli effetti quantistici della materia. Lo spazio è dinamico, quindi le particelle qui sono completamente diverse da quelle a cui siamo abituati. Vicino al buco, non solo il tempo è distorto; la comprensione di una particella dipende in gran parte da chi la osserva. Se qualcuno cade in un buco, gli sembra di precipitare nel vuoto e, per un osservatore distante, sembra una zona piena di particelle. L'effetto è spiegato dall'allungamento del tempo e dello spazio. La radiazione del buco fu identificata per la prima volta da Hawking, il cui nome fu dato al fenomeno. La radiazione ha una temperatura che è inversamente correlata alla massa. Minore è il peso di un oggetto astronomico, maggiore è la temperatura (così come la densità di un buco nero). Se il buco è supermassiccio o ha una massa paragonabile a una stella, la temperatura intrinseca della sua radiazione sarà inferiore al fondo delle microonde. Per questo motivo non è possibile osservarla.
Questa radiazione spiega la perdita di dati. Questo è il nome di un fenomeno termico, che ha una qualità distinta: la temperatura. Non ci sono informazioni sui processi di formazione dei buchi attraverso lo studio, ma un oggetto che emette tale radiazione perde contemporaneamente massa (e quindi crescedensità del buco nero) è ridotta. Il processo non è determinato dalla sostanza da cui si forma il buco, non dipende da ciò che è stato risucchiato in seguito. Gli scienziati non possono dire cosa sia diventata la base del buco. Inoltre, gli studi hanno dimostrato che la radiazione è un processo irreversibile, cioè che semplicemente non può esistere nella meccanica quantistica. Ciò significa che la radiazione non può essere conciliata con la teoria quantistica e l'incoerenza richiede un ulteriore lavoro in questa direzione. Sebbene gli scienziati ritengano che le radiazioni di Hawking debbano contenere informazioni, semplicemente non abbiamo ancora i mezzi e le capacità per rilevarle.
Curioso: sulle stelle di neutroni
Se esiste una supergigante, non significa che un tale corpo astronomico sia eterno. Nel tempo, cambia, scarta gli strati esterni. Nane bianche possono emergere dai resti. La seconda opzione sono le stelle di neutroni. I processi specifici sono determinati dalla massa nucleare del corpo primario. Se è stimato entro 1,4-3 solare, la distruzione della supergigante è accompagnata da una pressione molto alta, a causa della quale gli elettroni vengono, per così dire, pressati nei protoni. Questo porta alla formazione di neutroni, l'emissione di neutrini. In fisica, questo è chiamato gas degenere di neutroni. La sua pressione è tale che la stella non può contrarsi ulteriormente.
Tuttavia, come hanno dimostrato gli studi, probabilmente non tutte le stelle di neutroni sono apparse in questo modo. Alcuni di loro sono i resti di quelli grandi che sono esplosi come una seconda supernova.
Raggio del corpo di Tommeno che più massa. Per la maggior parte, varia tra 10-100 km. Sono stati condotti studi per determinare la densità dei buchi neri, delle stelle di neutroni. Per il secondo, come hanno dimostrato i test, il parametro è relativamente vicino a quello atomico. Cifre specifiche stabilite dagli astrofisici: 10^10 g/cm3.
Curioso di sapere: teoria e pratica
Le stelle di neutroni sono state previste in teoria negli anni '60 e '70 del secolo scorso. I Pulsar furono i primi ad essere scoperti. Queste sono piccole stelle, la cui velocità di rotazione è molto alta e il campo magnetico è davvero grandioso. Si presume che la pulsar erediti questi parametri dalla stella originale. Il periodo di rotazione varia da millisecondi a diversi secondi. Le prime pulsar conosciute emettevano periodiche emissioni radio. Oggi sono note pulsar con radiazioni dello spettro dei raggi X e radiazioni gamma.
Il processo descritto di formazione di stelle di neutroni può continuare - non c'è niente che possa fermarlo. Se la massa nucleare è più di tre masse solari, allora il corpo appuntito è molto compatto, si parla di buchi. Non sarà possibile determinare le proprietà di un buco nero di massa maggiore di quella critica. Se parte della massa viene persa a causa della radiazione di Hawking, il raggio diminuirà simultaneamente, quindi il valore del peso sarà di nuovo inferiore al valore critico per questo oggetto.
Può morire un buco?
Gli scienziati avanzano ipotesi sull'esistenza di processi dovuti alla partecipazione di particelle e antiparticelle. La fluttuazione degli elementi può far caratterizzare lo spazio vuotolivello di energia zero, che (ecco un paradosso!) non sarà uguale a zero. Allo stesso tempo, l'orizzonte degli eventi inerente al corpo riceverà uno spettro a bassa energia inerente al corpo nero assoluto. Tali radiazioni causeranno una perdita di massa. L'orizzonte si restringe leggermente. Supponiamo che ci siano due coppie di una particella e del suo antagonista. C'è un annientamento di una particella da una coppia e il suo antagonista da un' altra. Di conseguenza, ci sono fotoni che volano fuori dal buco. La seconda coppia di particelle proposte cade nel buco, assorbendo contemporaneamente una certa quantità di massa, energia. Gradualmente, questo porta alla morte del buco nero.
In conclusione
Secondo alcuni, un buco nero è una specie di aspirapolvere cosmico. Un buco può inghiottire una stella, può persino "mangiare" una galassia. In molti modi, la spiegazione delle qualità di un buco, così come le caratteristiche della sua formazione, può essere trovata nella teoria della relatività. Da esso si sa che il tempo è continuo, così come lo spazio. Questo spiega perché i processi di compressione non possono essere fermati, sono illimitati e illimitati.
Questi sono questi misteriosi buchi neri, sui quali gli astrofisici si sono scervellati per più di un decennio.
