Gaurile negre sunt probabil cele mai misterioase obiecte din univers. Cu excepția cazului în care, desigur, lucrurile nu sunt ascunse undeva în adâncuri, a căror existență nu o cunoaștem și nu o putem cunoaște, ceea ce este puțin probabil. Găurile negre sunt masă și densitate colosale, comprimate într-un punct de rază mică. Proprietățile fizice ale acestor obiecte sunt atât de ciudate încât îi descurcă pe cei mai sofisticați fizicieni și astrofizicieni. Sabine Hossfender, fizician teoretic, a compilat o selecție de zece fapte despre găurile negre pe care toată lumea ar trebui să le cunoască.
Ce este o gaură neagră?
Proprietatea definitorie a unei găuri negre este orizontul său. Aceasta este o graniță dincolo de care nimic, nici măcar lumina, nu se poate întoarce. Dacă o zonă detașată se detașează pentru totdeauna, vorbim despre un „orizont de evenimente”. Dacă este separat doar temporar, vorbim despre „orizontul vizibil”. Dar acest „temporar” ar putea însemna, de asemenea, că regiunea va fi separată mult mai mult decât era actuală a universului. Dacă orizontul găurii negre este temporar, dar de lungă durată, diferența dintre prima și a doua este neclară.
Cât de mari sunt găurile negre?
Vă puteți imagina orizontul unei găuri negre ca o sferă, iar diametrul acesteia va fi direct proporțional cu masa găurii negre. Prin urmare, cu cât cade mai multă masă în gaura neagră, cu atât gaura neagră devine mai mare. În comparație cu obiectele stelare, găurile negre sunt însă mici, deoarece masa este comprimată în volume foarte mici sub influența presiunii gravitaționale irezistibile. Raza unei găuri negre cu o masă de planetă Pământ, de exemplu, este de doar câțiva milimetri. Aceasta este de 10.000.000.000 de ori mai mică decât raza actuală a Pământului.
Video promotional:
Raza găurii negre se numește raza Schwarzschild după Karl Schwarzschild, care a dedus mai întâi găurile negre ca soluție la teoria generală a relativității a lui Einstein.
Ce se întâmplă la orizont?
Când treci orizontul, nu se întâmplă nimic special în jurul tău. Totul datorită principiului echivalenței lui Einstein, din care rezultă că nu puteți găsi diferența dintre accelerația din spațiul plat și câmpul gravitațional care creează curbura spațiului. Cu toate acestea, un observator departe de gaura neagră care urmărește pe altcineva să cadă în ea va observa că persoana se va mișca din ce în ce mai lent pe măsură ce se apropie de orizont. De parcă timpul se mișcă mai încet lângă orizontul evenimentelor decât departe de orizont. Cu toate acestea, va trece ceva timp, iar observatorul care cade în gaură va traversa orizontul evenimentelor și se va regăsi în raza Schwarzschild.
Ceea ce experimentați la orizont depinde de forțele de maree ale câmpului gravitațional. Forțele de maree de la orizont sunt invers proporționale cu pătratul masei găurii negre. Aceasta înseamnă că cu cât gaura neagră este mai mare și mai masivă, cu atât este mai puțină forță. Și dacă doar gaura neagră este suficient de masivă, puteți traversa orizontul înainte de a observa chiar că se întâmplă ceva. Efectul acestor forțe de maree vă va întinde: termenul tehnic pe care îl folosesc fizicienii pentru aceasta este spaghetificare.
În primele zile ale relativității generale, se credea că există o singularitate la orizont, dar acest lucru s-a dovedit a nu fi cazul.
Ce este în interiorul unei găuri negre?
Nimeni nu știe sigur, dar cu siguranță nu raftul de cărți. Relativitatea generală prezice că există o singularitate într-o gaură neagră, un loc în care forțele mareelor devin infinit de mari și, odată ce traversați orizontul evenimentelor, nu puteți merge nicăieri altundeva decât în singularitate. În consecință, este mai bine să nu folosiți relativitatea generală în aceste locuri - pur și simplu nu funcționează. Pentru a spune ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice. Se acceptă în general că această teorie va înlocui singularitatea cu altceva.
Cum se formează găurile negre?
În prezent cunoaștem patru moduri diferite de formare a găurilor negre. Cea mai bună înțelegere este asociată cu prăbușirea stelară. O stea suficient de mare formează o gaură neagră după ce fuziunea sa nucleară se oprește, deoarece tot ceea ce ar putea fi deja sintetizat a fost sintetizat. Când presiunea creată prin fuziune încetează, materia începe să cadă spre propriul centru gravitațional, devenind din ce în ce mai densă. În cele din urmă, devine atât de dens încât nimic nu poate depăși efectul gravitațional pe suprafața stelei: așa se naște o gaură neagră. Aceste găuri negre sunt numite „găuri negre cu masă solară” și sunt cele mai frecvente.
Următorul tip comun de gaură neagră este „gaura neagră supermasivă”, care poate fi găsită în centrele multor galaxii și care au mase de aproximativ un miliard de ori mai mari decât găurile negre solare. Nu se știe încă exact cum se formează. Se crede că au început odată ca găuri negre cu masă solară care au consumat multe alte stele în centre galactice dens populate și au crescut. Cu toate acestea, ele par să absoarbă materia mai repede decât sugerează această idee simplă și modul în care o fac exact este încă un subiect de cercetare.
O idee mai controversată a fost gaurile negre primordiale, care ar fi putut fi formate de aproape orice masă în fluctuații mari de densitate în universul timpuriu. Deși este posibil, este dificil să găsești un model care să le producă fără a le crea excesiv.
În cele din urmă, există ideea foarte speculativă că minusculele găuri negre cu mase apropiate de cea a bosonului Higgs s-ar putea forma la Large Hadron Collider. Acest lucru funcționează numai dacă universul nostru are dimensiuni suplimentare. Până în prezent, nu a existat nicio confirmare în favoarea acestei teorii.
De unde știm că există găuri negre?
Avem o mulțime de dovezi de observație pentru obiecte compacte cu mase mari care nu emit lumină. Aceste obiecte se lasă prin atracție gravitațională, de exemplu, datorită mișcării altor stele sau a norilor de gaz în jurul lor. De asemenea, creează lentile gravitaționale. Știm că aceste obiecte nu au o suprafață solidă. Acest lucru rezultă din observații, deoarece materia care cade pe un obiect cu o suprafață ar trebui să provoace eliberarea mai multor particule decât materia care cade prin orizont.
De ce a spus Hawking anul trecut că găurile negre nu există?
El a vrut să spună că găurile negre nu au un orizont etern de evenimente, ci doar un orizont aparent temporar (vezi paragraful unu). În sens strict, doar orizontul evenimentelor este considerat o gaură neagră.
Cum emit gauri negre radiații?
Găurile negre emit radiații datorită efectelor cuantice. Este important de reținut că acestea sunt efecte cuantice ale materiei, nu efecte cuantice ale gravitației. Spațiul-timp dinamic al unei găuri negre care se prăbușește schimbă însăși definiția unei particule. La fel ca trecerea timpului, care este distorsionată lângă o gaură neagră, conceptul de particule este prea dependent de observator. În special, atunci când un observator care cade într-o gaură neagră crede că cade în vid, un observator departe de gaura neagră crede că acesta nu este un vid, ci un spațiu plin de particule. Extinderea spațiului-timp este cea care provoacă acest efect.
Descoperită pentru prima dată de Stephen Hawking, radiația emisă de o gaură neagră se numește radiație Hawking. Această radiație are o temperatură invers proporțională cu masa găurii negre: cu cât este mai mică gaura neagră, cu atât este mai mare temperatura. Găurile negre stelare și supermasive despre care știm că au temperaturi mult sub temperatura fundalului microundelor și, prin urmare, nu sunt observate.
Ce este un paradox al informației?
Paradoxul pierderii informațiilor este cauzat de radiația Hawking. Această radiație este pur termică, adică are doar temperatura accidental și are anumite proprietăți. Radiațiile în sine nu conțin informații despre modul în care s-a format gaura neagră. Dar când o gaură neagră emite radiații, pierde masa și se contractă. Toate acestea sunt complet independente de substanța care a devenit parte a găurii negre sau din care a fost formată. Se pare că, cunoscând doar starea finală de evaporare, nu se poate spune din ce s-a format gaura neagră. Acest proces este „ireversibil” - iar priza este că nu există un astfel de proces în mecanica cuantică.
Se pare că evaporarea unei găuri negre este incompatibilă cu teoria cuantică pe care o cunoaștem și trebuie făcut ceva în acest sens. Eliminați cumva inconsecvența. Majoritatea fizicienilor cred că soluția este că radiația Hawking trebuie să conțină cumva informații.
Ce propune Hawking pentru a rezolva paradoxul informațional al găurii negre?
Ideea este că găurile negre trebuie să aibă o modalitate de a stoca informații care nu au fost încă acceptate. Informațiile sunt stocate la orizontul unei găuri negre și pot provoca mici deplasări de particule în radiația Hawking. În aceste mici deplasări, pot exista informații despre materia prinsă. În prezent, detaliile exacte ale acestui proces sunt neclare. Oamenii de știință așteaptă o lucrare tehnică mai detaliată de la Stephen Hawking, Malcolm Perry și Andrew Strominger. Ei spun că va apărea la sfârșitul lunii septembrie.
În acest moment, suntem siguri că există găuri negre, știm unde sunt, cum se formează și ce vor deveni în cele din urmă. Dar detaliile despre destinația informațiilor reprezintă încă unul dintre cele mai mari mistere din univers.
Ilya Khel
