Für moderne Wissenschaftler ist ein Schwarzes Loch eines der mysteriösesten Phänomene in unserem Universum. Das Studium solcher Objekte ist schwierig, es ist nicht möglich, sie "durch Erfahrung" auszuprobieren. Die Masse, die Dichte der Substanz eines Schwarzen Lochs, die Prozesse der Bildung dieses Objekts, die Dimensionen - all dies weckt das Interesse von Spezialisten und manchmal - Verwirrung. Betrachten wir das Thema genauer. Lassen Sie uns zunächst analysieren, was ein solches Objekt ist.
Allgemeine Informationen
Ein erstaunliches Merkmal eines kosmischen Objekts ist die Kombination aus einem kleinen Radius, einer hohen Dichte an Schwarzer-Loch-Materie und einer unglaublich großen Masse. Alle derzeit bekannten physikalischen Eigenschaften eines solchen Objekts erscheinen Wissenschaftlern fremd, oft unerklärlich. Selbst die erfahrensten Astrophysiker sind immer noch erstaunt über die Besonderheiten solcher Phänomene. Das Hauptmerkmal, das es Wissenschaftlern ermöglicht, ein Schwarzes Loch zu identifizieren, ist der Ereignishorizont, dh die Grenze, aufgrund derernichts kommt zurück, einschließlich des Lichts. Wenn eine Zone dauerhaft getrennt ist, wird die Trennungsgrenze als Ereignishorizont bezeichnet. Bei vorübergehender Trennung ist das Vorhandensein eines sichtbaren Horizonts festgelegt. Zeitlich ist manchmal ein sehr loses Konzept, das heißt, die Region kann für einen Zeitraum getrennt sein, der das aktuelle Alter des Universums übersteigt. Wenn es einen sichtbaren Horizont gibt, der lange Zeit besteht, ist es schwierig, ihn vom Ereignishorizont zu unterscheiden.
In vielerlei Hinsicht sind die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs, die Dichte der Substanz, die es bildet, auf andere physikalische Eigenschaften zurückzuführen, die in unseren Weltgesetzen wirken. Der Ereignishorizont eines kugelsymmetrischen Schwarzen Lochs ist eine Kugel, deren Durchmesser durch ihre Masse bestimmt wird. Je mehr Masse nach innen gezogen wird, desto größer wird das Loch. Und doch bleibt er vor dem Hintergrund der Sterne überraschend klein, da der Gravitationsdruck alles im Inneren zusammendrückt. Wenn wir uns ein Loch vorstellen, dessen Masse unserem Planeten entspricht, wird der Radius eines solchen Objekts einige Millimeter nicht überschreiten, dh er wird zehn Milliarden kleiner sein als der der Erde. Der Radius wurde nach Schwarzschild benannt, dem Wissenschaftler, der als erster Schwarze Löcher als Lösung für Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie herleitete.
Und drinnen?
Nachdem man in ein solches Objekt geraten ist, wird eine Person wahrscheinlich keine große Dichte an sich bemerken. Die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs sind nicht gut verstanden, um sicher zu sein, was passieren wird, aber Wissenschaftler glauben, dass beim Überqueren des Horizonts nichts Besonderes enthüllt werden kann. Dies wird durch den äquivalenten Einsteinian erklärtPrinzip, das erklärt, warum sich das Feld, das die Krümmung des Horizonts bildet, und die der Ebene innewohnende Beschleunigung für den Beobachter nicht unterscheiden. Wenn Sie den Kreuzungsvorgang aus der Ferne verfolgen, können Sie sehen, dass das Objekt in Horizontnähe langsamer wird, als ob die Zeit an dieser Stelle langsam vergeht. Nach einiger Zeit wird das Objekt den Horizont überqueren und in den Schwarzschild-Radius fallen.
Die Materiedichte in einem Schwarzen Loch, die Masse eines Objekts, seine Abmessungen und Gezeitenkräfte und das Gravitationsfeld sind eng miteinander verbunden. Je größer der Radius, desto geringer die Dichte. Der Radius nimmt mit dem Gewicht zu. Die Gezeitenkräfte sind umgekehrt proportional zum Quadrat des Gewichts, das heißt, wenn die Abmessungen zunehmen und die Dichte abnimmt, nehmen die Gezeitenkräfte des Objekts ab. Es ist möglich, den Horizont zu überwinden, bevor dies bemerkt wird, wenn die Masse des Objekts sehr groß ist. In den frühen Tagen der Allgemeinen Relativitätstheorie glaubte man, dass sich am Horizont eine Singularität befinde, was sich jedoch als nicht der Fall herausstellte.
Über Dichte
Wie Studien gezeigt haben, kann die Dichte eines Schwarzen Lochs je nach Masse mehr oder weniger betragen. Bei verschiedenen Objekten variiert dieser Indikator, nimmt aber immer mit zunehmendem Radius ab. Es können supermassive Löcher auftreten, die aufgrund der Ansammlung von Material in großem Umfang gebildet werden. Im Durchschnitt ist die Dichte solcher Objekte, deren Masse der Gesamtmasse von mehreren Milliarden Leuchten in unserem System entspricht, geringer als die Dichte von Wasser. Manchmal ist es vergleichbar mit der Höhe der Gasdichte. Die Gezeitenkraft dieses Objekts wird bereits aktiviert, nachdem der Beobachter den Horizont überquert hatVeranst altungen. Der hypothetische Entdecker würde nicht verletzt werden, wenn er sich dem Horizont nähert, und würde viele tausend Kilometer abstürzen, wenn er Schutz vor dem Scheibenplasma finden würde. Wenn der Betrachter nicht zurückblickt, wird er nicht bemerken, dass der Horizont überschritten wurde, und wenn er den Kopf dreht, sieht er wahrscheinlich Lichtstrahlen, die am Horizont eingefroren sind. Die Zeit für den Beobachter wird sehr langsam fließen, er wird in der Lage sein, Ereignisse in der Nähe des Lochs bis zum Moment des Todes zu verfolgen - entweder sie oder das Universum.
Um die Dichte eines supermassereichen Schwarzen Lochs zu bestimmen, muss man seine Masse kennen. Finden Sie den Wert dieser Größe und das dem Weltraumobjekt innewohnende Schwarzschild-Volumen. Im Durchschnitt ist ein solcher Indikator laut Astrophysikern außergewöhnlich klein. In einem beeindruckenden Prozentsatz der Fälle ist es geringer als die Luftdichte. Das Phänomen wird wie folgt erklärt. Der Schwarzschild-Radius steht in direktem Zusammenhang mit dem Gewicht, während die Dichte umgekehrt mit dem Volumen und damit dem Schwarzschild-Radius zusammenhängt. Das Volumen steht in direktem Zusammenhang mit dem Kubikradius. Die Masse nimmt linear zu. Dementsprechend wächst das Volumen schneller als das Gewicht und die mittlere Dichte wird kleiner, je größer der Radius des Untersuchungsobjekts ist.
Neugierig zu wissen
Die einem Loch innewohnende Gezeitenkraft ist ein Gradient der Schwerkraft, der am Horizont ziemlich groß ist, sodass selbst Photonen hier nicht entkommen können. Gleichzeitig erfolgt der Anstieg des Parameters recht fließend, was es dem Beobachter ermöglicht, den Horizont ohne eigenes Risiko zu überwinden.
Studien zur Dichte eines Schwarzen Lochs indas Zentrum des Objekts ist immer noch relativ begrenzt. Astrophysiker haben festgestellt, dass das Dichteniveau umso höher ist, je näher die zentrale Singularität ist. Der zuvor erwähnte Berechnungsmechanismus ermöglicht es Ihnen, sich eine sehr durchschnittliche Vorstellung davon zu machen, was passiert.
Wissenschaftler haben äußerst begrenzte Vorstellungen darüber, was in dem Loch passiert, seine Struktur. Astrophysikern zufolge ist die Dichteverteilung in einem Loch zumindest auf dem aktuellen Niveau für einen außenstehenden Beobachter nicht sehr aussagekräftig. Viel informativere Angabe von Schwerkraft, Gewicht. Je größer die Masse, desto stärker sind die Zentren, der Horizont, voneinander getrennt. Es gibt auch solche Vermutungen: Knapp hinter dem Horizont fehlt im Prinzip Materie, man kann sie nur in der Tiefe des Objekts nachweisen.
Sind Zahlen bekannt?
Wissenschaftler haben lange über die Dichte eines Schwarzen Lochs nachgedacht. Bestimmte Studien wurden durchgeführt, es wurden Berechnungsversuche unternommen. Hier ist einer davon.
Die Sonnenmasse beträgt 210^30 kg. An der Stelle eines Objekts, das um ein Vielfaches größer ist als die Sonne, kann sich ein Loch bilden. Die Dichte des leichtesten Lochs wird auf durchschnittlich 10^18 kg/m3 geschätzt. Dies ist eine Größenordnung höher als die Dichte des Kerns eines Atoms. Ungefähr derselbe Unterschied zum durchschnittlichen Dichteniveau, das für einen Neutronenstern charakteristisch ist.
Möglich ist die Existenz von ultraleichten Löchern, deren Abmessungen subnuklearen Teilchen entsprechen. Für solche Objekte wird der Dichteindex untragbar groß.
Wenn unser Planet zu einem Loch wird, wird seine Dichte ungefähr 210^30 kg/m betragen3. Wissenschaftler konnten dies jedoch nichtenthüllen die Prozesse, durch die unser Weltraumhaus in ein Schwarzes Loch verwandelt werden kann.
Über die Nummern im Detail
Die Dichte des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße wird auf 1,1 Millionen kg/m² geschätzt3. Die Masse dieses Objekts entspricht 4 Millionen Sonnenmassen. Der Radius des Lochs wird auf 12 Millionen km geschätzt. Die angegebene Dichte des Schwarzen Lochs im Zentrum der Milchstraße gibt eine Vorstellung von den physikalischen Parametern supermassereicher Löcher.
Wenn das Gewicht eines Objekts 10^38 kg beträgt, das heißt, es wird auf etwa 100 Millionen Sonnen geschätzt, dann entspricht die Dichte eines astronomischen Objekts der Dichte von Granit auf unserem Planeten.
Unter allen Löchern, die modernen Astrophysikern bekannt sind, wurde eines der schwersten Löcher im Quasar OJ 287 gefunden, dessen Gewicht 18 Milliarden Leuchten unseres Systems entspricht. Wie hoch die Dichte eines Schwarzen Lochs ist, haben Wissenschaftler ohne große Schwierigkeiten berechnet. Der Wert erwies sich als verschwindend gering. Es ist nur 60 g/m3. Zum Vergleich: Die atmosphärische Luft unseres Planeten hat eine Dichte von 1,29 mg/m3.
Woher kommen Löcher?
Wissenschaftler haben nicht nur geforscht, um die Dichte eines Schwarzen Lochs im Vergleich zum Stern unseres Systems oder anderen kosmischen Körpern zu bestimmen, sondern auch versucht zu bestimmen, woher Löcher kommen und welche Mechanismen für die Entstehung solcher Löcher gelten mysteriöse Objekte. Jetzt gibt es eine Vorstellung von vier Möglichkeiten für das Auftreten von Löchern. Die verständlichste Option ist der Kollaps eines Sterns. Wenn es groß wird, ist die Synthese im Kern abgeschlossen,Der Druck verschwindet, die Materie fällt in den Schwerpunkt, sodass ein Loch entsteht. Wenn Sie sich dem Zentrum nähern, nimmt die Dichte zu. Früher oder später wird der Indikator so bedeutend, dass externe Objekte die Auswirkungen der Schwerkraft nicht überwinden können. Von diesem Punkt an erscheint ein neues Loch. Dieser Typ ist häufiger als andere und wird Sonnenmassenlöcher genannt.
Eine andere ziemlich häufige Art von Loch ist ein supermassives Loch. Diese werden häufiger in galaktischen Zentren beobachtet. Die Masse des Objekts ist im Vergleich zum oben beschriebenen Sonnenmassenloch milliardenfach größer. Wissenschaftler haben die Prozesse der Manifestation solcher Objekte noch nicht etabliert. Es wird angenommen, dass nach dem oben beschriebenen Mechanismus zuerst ein Loch entsteht, dann werden benachbarte Sterne absorbiert, was zu Wachstum führt. Dies ist möglich, wenn die Zone der Galaxie dicht besiedelt ist. Die Absorption von Materie erfolgt schneller, als das obige Schema erklären kann, und die Wissenschaftler können noch nicht erraten, wie die Absorption abläuft.
Annahmen und Ideen
Ein sehr schwieriges Thema für Astrophysiker sind Urlöcher. Solche erscheinen wahrscheinlich aus einer beliebigen Masse. Sie können sich in großen Schwankungen bilden. Wahrscheinlich fand das Auftreten solcher Löcher im frühen Universum statt. Bisher erlauben uns Studien, die sich mit den Eigenschaften, Merkmalen (einschließlich Dichte) von Schwarzen Löchern und den Prozessen ihres Erscheinens befassen, kein Modell zu bestimmen, das den Prozess des Erscheinens eines primären Lochs genau reproduziert. Die derzeit bekannten Modelle sind überwiegend so, dass sie, wenn sie in die Realität umgesetzt würden,es gäbe zu viele Löcher.
Nehmen Sie an, dass der Large Hadron Collider eine Quelle für die Bildung eines Lochs werden kann, dessen Masse dem Higgs-Boson entspricht. Dementsprechend wird die Dichte des Schwarzen Lochs sehr groß sein. Wenn eine solche Theorie bestätigt wird, kann sie als indirekter Beweis für das Vorhandensein zusätzlicher Dimensionen angesehen werden. Derzeit hat sich diese spekulative Schlussfolgerung noch nicht bestätigt.
Strahlung aus einem Loch
Die Emission eines Lochs wird durch die Quanteneffekte der Materie erklärt. Der Raum ist dynamisch, daher sind die Partikel hier völlig anders als wir es gewohnt sind. In der Nähe des Lochs wird nicht nur die Zeit verzerrt; Das Verständnis eines Teilchens hängt weitgehend davon ab, wer es beobachtet. Wenn jemand in ein Loch fällt, scheint es ihm, als ob er in ein Vakuum eintaucht, und für einen entfernten Beobachter sieht es aus wie eine mit Partikeln gefüllte Zone. Der Effekt erklärt sich durch die Dehnung von Zeit und Raum. Die Strahlung aus dem Loch wurde zuerst von Hawking identifiziert, dessen Name dem Phänomen gegeben wurde. Strahlung hat eine Temperatur, die umgekehrt proportional zur Masse ist. Je geringer das Gewicht eines astronomischen Objekts ist, desto höher ist die Temperatur (sowie die Dichte eines Schwarzen Lochs). Wenn das Loch supermassiv ist oder eine Masse hat, die mit einem Stern vergleichbar ist, ist die Eigentemperatur seiner Strahlung niedriger als der Mikrowellenhintergrund. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, sie zu beobachten.
Diese Strahlung erklärt den Datenverlust. Dies ist der Name eines thermischen Phänomens, das eine bestimmte Qualität hat - Temperatur. Es gibt keine Informationen über die Prozesse der Lochbildung durch die Studie, aber ein Objekt, das solche Strahlung emittiert, verliert gleichzeitig an Masse (und wächst daherDichte des Schwarzen Lochs) verringert. Der Vorgang wird nicht von der Substanz bestimmt, aus der das Loch entsteht, hängt nicht davon ab, was später hineingesaugt wurde. Wissenschaftler können nicht sagen, was zur Basis des Lochs wurde. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Strahlung ein irreversibler Prozess ist, das heißt einer, der in der Quantenmechanik einfach nicht existieren kann. Das bedeutet, dass Strahlung nicht mit der Quantentheorie in Einklang gebracht werden kann und die Widersprüchlichkeit weitere Arbeiten in dieser Richtung erfordert. Während Wissenschaftler glauben, dass Hawking-Strahlung Informationen enth alten sollte, haben wir einfach noch nicht die Mittel und Fähigkeiten, um sie zu erkennen.
Neugierig: über Neutronensterne
Wenn es einen Überriesen gibt, bedeutet das nicht, dass ein solcher astronomischer Körper ewig ist. Mit der Zeit verändert es sich, wirft die äußeren Schichten ab. Aus den Überresten können Weiße Zwerge entstehen. Die zweite Option sind Neutronensterne. Bestimmte Prozesse werden durch die Kernmasse des Primärkörpers bestimmt. Wenn es auf 1,4-3 Sonnen geschätzt wird, geht die Zerstörung des Überriesen mit einem sehr hohen Druck einher, durch den die Elektronen sozusagen in die Protonen gedrückt werden. Dies führt zur Bildung von Neutronen, der Emission von Neutrinos. In der Physik wird dies als entartetes Neutronengas bezeichnet. Sein Druck ist so groß, dass sich der Stern nicht weiter zusammenziehen kann.
Aber wie Studien gezeigt haben, sind wahrscheinlich nicht alle Neutronensterne auf diese Weise erschienen. Einige von ihnen sind die Überreste großer, die wie eine zweite Supernova explodierten.
Tom Körperradiusweniger als mehr Masse. Bei den meisten variiert sie zwischen 10-100 km. Es wurden Studien durchgeführt, um die Dichte von Schwarzen Löchern und Neutronensternen zu bestimmen. Zum zweiten liegt der Parameter, wie Tests gezeigt haben, relativ nahe am atomaren. Konkrete Werte von Astrophysikern: 10^10 g/cm3.
Neugierig: Theorie und Praxis
Neutronensterne wurden in den 60er und 70er Jahren des letzten Jahrhunderts theoretisch vorhergesagt. Pulsare waren die ersten, die entdeckt wurden. Dies sind kleine Sterne, deren Rotationsgeschwindigkeit sehr hoch ist und deren Magnetfeld wirklich grandios ist. Es wird angenommen, dass der Pulsar diese Parameter vom ursprünglichen Stern erbt. Die Rotationsperiode variiert von Millisekunden bis zu mehreren Sekunden. Die ersten bekannten Pulsare sendeten periodische Radioemissionen aus. Heute sind Pulsare mit Röntgenspektrumstrahlung, Gammastrahlung bekannt.
Der beschriebene Prozess der Neutronensternentstehung kann weitergehen - nichts kann ihn aufh alten. Wenn die Kernmasse mehr als drei Sonnenmassen beträgt, dann sind die punktförmigen Körper sehr kompakt, man spricht von Löchern. Es wird nicht möglich sein, die Eigenschaften eines Schwarzen Lochs mit einer Masse zu bestimmen, die größer als die kritische ist. Geht durch Hawking-Strahlung ein Teil der Masse verloren, verringert sich gleichzeitig der Radius, sodass der Gewichtswert wieder kleiner als der kritische Wert für dieses Objekt ist.
Kann ein Loch sterben?
Wissenschaftler stellen Annahmen über die Existenz von Prozessen aufgrund der Beteiligung von Teilchen und Antiteilchen auf. Die Fluktuation der Elemente kann dazu führen, dass der leere Raum charakterisiert wirdNullenergieniveau, das (hier ist ein Paradox!) nicht gleich Null sein wird. Gleichzeitig erhält der dem Körper innewohnende Ereignishorizont ein niederenergetisches Spektrum, das dem absoluten schwarzen Körper innewohnt. Eine solche Strahlung wird Massenverlust verursachen. Der Horizont wird leicht schrumpfen. Angenommen, es gibt zwei Paare aus einem Teilchen und seinem Antagonisten. Es gibt eine Vernichtung eines Teilchens von einem Paar und seines Antagonisten von einem anderen. Als Folge davon fliegen Photonen aus dem Loch. Das zweite Paar vorgeschlagener Partikel fällt in das Loch und absorbiert gleichzeitig eine gewisse Menge an Masse und Energie. Allmählich führt dies zum Tod des Schwarzen Lochs.
Als Fazit
Laut einigen ist ein Schwarzes Loch eine Art kosmischer Staubsauger. Ein Loch kann einen Stern verschlucken, es kann sogar eine Galaxie „fressen“. In vielerlei Hinsicht kann die Erklärung der Eigenschaften eines Lochs sowie der Merkmale seiner Entstehung in der Relativitätstheorie gefunden werden. Daraus ist bekannt, dass die Zeit ebenso wie der Raum kontinuierlich ist. Dies erklärt, warum Komprimierungsvorgänge nicht gestoppt werden können, sie sind unbegrenzt und unbegrenzt.
Das sind diese mysteriösen Schwarzen Löcher, über die sich Astrophysiker seit mehr als einem Jahrzehnt den Kopf zerbrechen.
