Đối với các nhà khoa học hiện đại, hố đen là một trong những hiện tượng bí ẩn nhất trong vũ trụ của chúng ta. Việc nghiên cứu những đối tượng như vậy đã khó, không thể thử “bằng kinh nghiệm” được. Khối lượng, mật độ vật chất của một lỗ đen, các quá trình hình thành của vật thể này, các kích thước - tất cả những điều này làm các chuyên gia quan tâm và đôi khi - gây hoang mang. Chúng ta hãy xem xét chủ đề chi tiết hơn. Đầu tiên, hãy phân tích đối tượng như vậy là gì.
Thông tin chung
Một đặc điểm đáng kinh ngạc của vật thể vũ trụ là sự kết hợp của bán kính nhỏ, mật độ vật chất lỗ đen cao và khối lượng cực lớn. Tất cả các đặc tính vật lý được biết đến hiện nay của một vật thể như vậy đều có vẻ xa lạ đối với các nhà khoa học, thường không thể giải thích được. Ngay cả những nhà vật lý thiên văn giàu kinh nghiệm nhất vẫn ngạc nhiên trước sự đặc biệt của những hiện tượng như vậy. Tính năng chính cho phép các nhà khoa học xác định một lỗ đen là chân trời sự kiện, tức là ranh giới do đókhông có gì trở lại, kể cả ánh sáng. Nếu một khu vực bị tách biệt vĩnh viễn, ranh giới phân tách được chỉ định là đường chân trời sự kiện. Với sự tách biệt tạm thời, sự hiện diện của một đường chân trời nhìn thấy được là cố định. Đôi khi thời gian là một khái niệm rất lỏng lẻo, có nghĩa là, khu vực có thể bị tách ra trong một khoảng thời gian vượt quá tuổi hiện tại của vũ trụ. Nếu có một đường chân trời nhìn thấy tồn tại trong một thời gian dài, rất khó để phân biệt nó với chân trời sự kiện.
Theo nhiều cách, các đặc tính của lỗ đen, mật độ của chất tạo thành nó, là do các phẩm chất vật lý khác vận hành theo quy luật thế giới của chúng ta. Chân trời sự kiện của một lỗ đen đối xứng hình cầu là một hình cầu có đường kính được xác định bởi khối lượng của nó. Khối lượng càng nhiều kéo vào trong, lỗ càng lớn. Tuy nhiên, nó vẫn nhỏ một cách đáng ngạc nhiên so với nền của các ngôi sao, vì áp suất trọng trường nén mọi thứ bên trong. Nếu chúng ta tưởng tượng một cái lỗ có khối lượng tương ứng với hành tinh của chúng ta, thì bán kính của một vật thể như vậy sẽ không vượt quá vài mm, tức là nó sẽ nhỏ hơn trái đất mười tỷ. Bán kính được đặt theo tên của Schwarzschild, nhà khoa học đầu tiên suy ra lỗ đen như một giải pháp cho thuyết tương đối rộng của Einstein.
Và bên trong?
Khi dính vào một đối tượng như vậy, một người khó có thể nhận thấy mật độ lớn trên bản thân. Các tính chất của lỗ đen vẫn chưa được hiểu rõ để chắc chắn điều gì sẽ xảy ra, nhưng các nhà khoa học tin rằng không có gì đặc biệt có thể được tiết lộ khi băng qua đường chân trời. Điều này được giải thích bởi Einsteinian tương đươngnguyên tắc giải thích tại sao trường tạo thành độ cong của đường chân trời và gia tốc vốn có trong mặt phẳng không khác nhau đối với người quan sát. Khi theo dõi quá trình băng qua từ xa, bạn có thể thấy vật thể bắt đầu chậm lại ở gần đường chân trời, như thể thời gian trôi chậm ở nơi này. Sau một thời gian, vật thể sẽ vượt qua đường chân trời, rơi vào bán kính Schwarzschild.
Mật độ vật chất trong lỗ đen, khối lượng của một vật thể, kích thước và lực thủy triều của nó, và trường hấp dẫn có quan hệ mật thiết với nhau. Bán kính càng lớn thì mật độ càng giảm. Bán kính tăng dần theo trọng lượng. Lực thủy triều tỷ lệ nghịch với bình phương trọng lượng, nghĩa là, khi kích thước tăng lên và mật độ giảm, lực thủy triều của vật thể giảm. Sẽ có thể vượt qua đường chân trời trước khi nhận thấy sự thật này nếu khối lượng của vật thể rất lớn. Trong những ngày đầu của thuyết tương đối rộng, người ta tin rằng có một điểm kỳ dị ở phía chân trời, nhưng điều này hóa ra không phải như vậy.
Về Mật độ
Như các nghiên cứu đã chỉ ra, mật độ của một lỗ đen, tùy thuộc vào khối lượng, có thể nhiều hơn hoặc ít hơn. Đối với các đối tượng khác nhau, chỉ số này thay đổi, nhưng luôn giảm khi bán kính tăng dần. Các lỗ siêu lớn có thể xuất hiện, được hình thành một cách rộng rãi do sự tích tụ của vật chất. Trung bình, mật độ của những vật thể như vậy, có khối lượng tương ứng với tổng khối lượng của vài tỷ ánh sáng trong hệ thống của chúng ta, nhỏ hơn mật độ của nước. Đôi khi nó có thể so sánh với mức độ mật độ khí. Lực thủy triều của vật thể này đã được kích hoạt sau khi người quan sát vượt qua đường chân trờisự kiện. Nhà thám hiểm giả định sẽ không bị tổn hại khi anh ta đến gần đường chân trời và sẽ rơi hàng nghìn km nếu anh ta tìm thấy sự bảo vệ khỏi plasma đĩa. Nếu người quan sát không nhìn lại, anh ta sẽ không nhận thấy rằng đường chân trời đã bị cắt ngang, và nếu anh ta quay đầu lại, anh ta có thể sẽ thấy những tia sáng bị đóng băng ở đường chân trời. Thời gian dành cho người quan sát sẽ trôi rất chậm, anh ta sẽ có thể theo dõi các sự kiện gần cái hố cho đến giây phút chết - cô ấy hoặc Vũ trụ.
Để xác định mật độ của một lỗ đen siêu lớn, bạn cần biết khối lượng của nó. Tìm giá trị của đại lượng này và thể tích Schwarzschild vốn có của vật thể không gian. Trung bình, một chỉ số như vậy, theo các nhà vật lý thiên văn, là rất nhỏ. Trong một tỷ lệ phần trăm ấn tượng của các trường hợp, nó nhỏ hơn mức mật độ không khí. Hiện tượng được giải thích như sau. Bán kính Schwarzschild liên quan trực tiếp đến trọng lượng, trong khi mật độ liên quan nghịch với thể tích, và do đó bán kính Schwarzschild. Thể tích liên quan trực tiếp đến bán kính hình khối. Khối lượng tăng tuyến tính. Theo đó, khối lượng phát triển nhanh hơn trọng lượng và mật độ trung bình nhỏ hơn, bán kính của đối tượng được nghiên cứu càng lớn.
Tò mò muốn biết
Lực thủy triều vốn có trong một lỗ hổng là một gradient của lực hấp dẫn, khá lớn ở đường chân trời, vì vậy ngay cả các photon cũng không thể thoát ra khỏi đây. Đồng thời, việc tăng thông số diễn ra khá suôn sẻ, giúp người quan sát có thể vượt qua đường chân trời mà không gặp rủi ro.
Nghiên cứu về mật độ của một lỗ đen trongtrọng tâm của vật thể vẫn còn tương đối hạn chế. Các nhà vật lý thiên văn đã xác định rằng càng gần điểm kỳ dị trung tâm, mức mật độ càng cao. Cơ chế tính toán được đề cập trước đó cho phép bạn có ý tưởng rất trung bình về / u200b / u200b điều gì đang xảy ra.
Các nhà khoa học có những ý tưởng cực kỳ hạn chế về những gì đang xảy ra trong hố, cấu trúc của nó. Theo các nhà vật lý thiên văn, sự phân bố mật độ trong một lỗ không phải là rất đáng kể đối với một người quan sát bên ngoài, ít nhất là ở mức hiện tại. Thông số kỹ thuật nhiều thông tin hơn về trọng lượng, trọng lượng. Khối lượng càng lớn thì tâm, đường chân trời, càng tách ra khỏi nhau càng mạnh. Cũng có những giả thiết như vậy: ngay bên ngoài đường chân trời, về nguyên tắc, vật chất không có mặt, nó chỉ có thể được phát hiện ở độ sâu của vật thể.
Có con số nào được biết không?
Các nhà khoa học đã suy nghĩ về mật độ của một lỗ đen trong một thời gian dài. Một số nghiên cứu đã được thực hiện, những nỗ lực đã được thực hiện để tính toán. Đây là một trong số chúng.
Khối lượng mặt trời là 210 ^ 30 kg. Một lỗ có thể hình thành tại vị trí của một vật thể lớn hơn Mặt trời vài lần. Mật độ của lỗ nhẹ nhất ước tính trung bình là 10 ^ 18 kg / m3. Đây là một bậc của độ lớn cao hơn mật độ của hạt nhân nguyên tử. Gần giống sự khác biệt so với đặc tính mức mật độ trung bình của một ngôi sao neutron.
Có thể có sự tồn tại của các lỗ siêu nhẹ, có kích thước tương ứng với các hạt dưới hạt nhân. Đối với những đối tượng như vậy, chỉ số mật độ sẽ quá lớn.
Nếu hành tinh của chúng ta trở thành một lỗ, mật độ của nó sẽ xấp xỉ 210 ^ 30 kg / m3. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã không thểtiết lộ các quá trình mà ngôi nhà vũ trụ của chúng ta có thể bị biến đổi thành một lỗ đen.
Về các con số chi tiết hơn
Mật độ của lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà được ước tính là 1,1 triệu kg / m3. Khối lượng của vật thể này tương ứng với 4 triệu lần khối lượng Mặt Trời. Bán kính của lỗ ước tính khoảng 12 triệu km. Mật độ chỉ định của lỗ đen ở trung tâm Dải Ngân hà cho ta ý tưởng về các thông số vật lý của lỗ siêu lớn.
Nếu trọng lượng của một vật thể nào đó là 10 ^ 38 kg, tức là ước tính vào khoảng 100 triệu Mặt trời, thì mật độ của một vật thể thiên văn sẽ tương ứng với mức mật độ của đá granit được tìm thấy trên hành tinh của chúng ta.
Trong số tất cả các lỗ mà các nhà vật lý thiên văn hiện đại biết đến, một trong những lỗ nặng nhất đã được tìm thấy trong chuẩn tinh OJ 287. Trọng lượng của nó tương ứng với 18 tỷ độ sáng của hệ thống của chúng ta. Mật độ của một lỗ đen là bao nhiêu, các nhà khoa học đã tính toán được mà không gặp nhiều khó khăn. Giá trị hóa ra rất nhỏ. Nó chỉ là 60 g / m3. Để so sánh: không khí trong khí quyển của hành tinh chúng ta có mật độ 1,29 mg / m3.
Lỗ từ đâu ra?
Các nhà khoa học không chỉ tiến hành nghiên cứu để xác định mật độ của một lỗ đen so với ngôi sao trong hệ thống của chúng ta hoặc các thiên thể vũ trụ khác, mà còn cố gắng xác định xem các lỗ đến từ đâu, cơ chế hình thành của các lỗ đen đó là gì vật thể bí ẩn. Bây giờ có một ý tưởng về bốn cách cho sự xuất hiện của các lỗ. Phương án dễ hiểu nhất là sự sụp đổ của một ngôi sao. Khi nó trở nên lớn, quá trình tổng hợp trong hạt nhân được hoàn thành,áp suất biến mất, vật chất rơi xuống trọng tâm nên xuất hiện lỗ trống. Khi bạn đến gần trung tâm, mật độ sẽ tăng lên. Không sớm thì muộn, chất chỉ thị trở nên có ý nghĩa đến mức các vật thể bên ngoài không thể vượt qua tác dụng của trọng lực. Từ lúc này, một lỗ mới xuất hiện. Loại này phổ biến hơn các loại khác và được gọi là lỗ khối lượng mặt trời.
Một loại lỗ khá phổ biến khác là lỗ siêu lớn. Chúng thường được quan sát thấy nhiều hơn ở các trung tâm thiên hà. Khối lượng của vật thể so với lỗ khối lượng mặt trời được mô tả ở trên lớn hơn hàng tỷ lần. Các nhà khoa học vẫn chưa thiết lập các quá trình biểu hiện của các đối tượng như vậy. Người ta cho rằng một lỗ đầu tiên được hình thành theo cơ chế mô tả ở trên, sau đó các ngôi sao lân cận bị hấp thụ, dẫn đến sự phát triển. Điều này có thể xảy ra nếu khu vực của thiên hà có mật độ dân cư đông đúc. Sự hấp thụ vật chất diễn ra nhanh hơn so với sơ đồ trên có thể giải thích và các nhà khoa học vẫn chưa thể đoán được quá trình hấp thụ diễn ra như thế nào.
Giả định và ý tưởng
Một chủ đề rất khó đối với các nhà vật lý thiên văn là các lỗ nguyên thủy. Như vậy, có thể, xuất hiện từ bất kỳ khối lượng nào. Chúng có thể hình thành trong những biến động lớn. Có thể, sự xuất hiện của những lỗ như vậy đã diễn ra trong Vũ trụ sơ khai. Cho đến nay, các nghiên cứu dành cho chất lượng, tính năng (bao gồm cả mật độ) của lỗ đen, quá trình xuất hiện của chúng không cho phép chúng ta xác định một mô hình tái tạo chính xác quá trình xuất hiện của lỗ sơ cấp. Các mô hình hiện được biết đến chủ yếu như vậy, nếu chúng được triển khai trên thực tế,sẽ có quá nhiều lỗ hổng.
Giả sử rằng Máy Va chạm Hadron Lớn có thể trở thành nguồn hình thành một lỗ, khối lượng của lỗ này tương ứng với boson Higgs. Theo đó, mật độ của lỗ đen sẽ rất lớn. Nếu một lý thuyết như vậy được xác nhận, nó có thể được coi là bằng chứng gián tiếp cho sự hiện diện của các chiều phụ. Hiện tại, kết luận suy đoán này vẫn chưa được xác nhận.
Bức xạ từ lỗ
Sự phát xạ của một lỗ trống được giải thích bởi các hiệu ứng lượng tử của vật chất. Không gian là động, vì vậy các hạt ở đây hoàn toàn khác với những gì chúng ta quen thuộc. Gần lỗ, không chỉ thời gian bị bóp méo; sự hiểu biết về một hạt phụ thuộc phần lớn vào người quan sát nó. Nếu ai đó rơi vào một cái lỗ, đối với anh ta dường như anh ta đang lao vào chân không, và đối với một người quan sát ở xa, nó trông giống như một vùng chứa đầy các hạt. Hiệu ứng này được giải thích là do sự kéo dài của thời gian và không gian. Bức xạ từ lỗ được xác định lần đầu tiên bởi Hawking, người đã đặt tên cho hiện tượng này. Bức xạ có nhiệt độ tỉ lệ nghịch với khối lượng. Trọng lượng của một vật thể thiên văn càng thấp thì nhiệt độ (cũng như mật độ của lỗ đen) càng cao. Nếu lỗ có khối lượng siêu lớn hoặc có khối lượng tương đương với một ngôi sao, thì nhiệt độ vốn có của bức xạ của nó sẽ thấp hơn nền vi sóng. Vì điều này, không thể quan sát cô ấy.
Bức xạ này giải thích cho việc mất dữ liệu. Đây là tên của một hiện tượng nhiệt, có một chất lượng riêng biệt - nhiệt độ. Không có thông tin về các quá trình hình thành lỗ thông qua nghiên cứu, nhưng một vật thể phát ra bức xạ như vậy đồng thời mất khối lượng (và do đó lớn lênmật độ của lỗ đen) bị giảm. Quá trình này không được xác định bởi chất mà từ đó lỗ được hình thành, không phụ thuộc vào những gì được hút vào nó sau đó. Các nhà khoa học không thể nói cái gì đã trở thành chân của cái hố. Hơn nữa, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bức xạ là một quá trình không thể đảo ngược, tức là một quá trình đơn giản là không thể tồn tại trong cơ học lượng tử. Điều này có nghĩa là bức xạ không thể được điều hòa với lý thuyết lượng tử và sự mâu thuẫn đòi hỏi phải nghiên cứu thêm theo hướng này. Mặc dù các nhà khoa học tin rằng bức xạ Hawking nên chứa thông tin, nhưng chúng ta vẫn chưa có phương tiện, khả năng để phát hiện ra nó.
Tò mò: về sao neutron
Nếu có một siêu khổng lồ, không có nghĩa là một thiên thể như vậy là vĩnh cửu. Theo thời gian, nó thay đổi, loại bỏ các lớp bên ngoài. Sao lùn trắng có thể xuất hiện từ tàn tích. Lựa chọn thứ hai là các sao neutron. Các quá trình cụ thể được xác định bởi khối lượng hạt nhân của cơ thể sơ cấp. Nếu nó được ước tính trong khoảng 1,4-3 mặt trời, thì sự phá hủy của khối siêu khổng lồ đi kèm với áp suất rất cao, do đó các điện tử, như nó vốn có, bị ép vào các proton. Điều này dẫn đến sự hình thành của neutron, sự phát xạ của neutrino. Trong vật lý, đây được gọi là khí suy biến nơtron. Áp lực của nó đến nỗi ngôi sao không thể co lại được nữa.
Tuy nhiên, như các nghiên cứu đã chỉ ra, có lẽ không phải tất cả các sao neutron đều xuất hiện theo cách này. Một số trong số chúng là tàn tích của những cái lớn phát nổ như siêu tân tinh thứ hai.
Bán kính cơ thể
Tomít hơn khối lượng nhiều hơn. Đối với hầu hết, nó thay đổi trong khoảng 10-100 km. Các nghiên cứu được thực hiện để xác định mật độ của lỗ đen, sao neutron. Đối với thứ hai, như các thử nghiệm đã chỉ ra, thông số này tương đối gần với thông số nguyên tử. Số liệu cụ thể do các nhà vật lý thiên văn đặt ra: 10 ^ 10 g / cm3.
Tò mò muốn biết: lý thuyết và thực hành
Sao neutron đã được dự đoán trên lý thuyết vào những năm 60 và 70 của thế kỷ trước. Pulsars là những người đầu tiên được phát hiện. Đây là những ngôi sao nhỏ, tốc độ quay của chúng rất cao, và từ trường thực sự rất lớn. Giả thiết rằng pulsar kế thừa các tham số này từ ngôi sao ban đầu. Khoảng thời gian quay thay đổi từ mili giây đến vài giây. Các sao xung đầu tiên được biết đến đã phát ra phát xạ vô tuyến tuần hoàn. Ngày nay, các sao xung với bức xạ phổ tia X, bức xạ gamma đã được biết đến.
Quá trình hình thành sao neutron được mô tả vẫn có thể tiếp tục - không có gì có thể ngăn cản nó. Nếu khối lượng hạt nhân lớn hơn ba lần khối lượng mặt trời, thì thiên thể điểm rất nhỏ, nó được gọi là lỗ. Sẽ không thể xác định được các đặc tính của một lỗ đen có khối lượng lớn hơn khối lượng tới hạn. Nếu một phần khối lượng bị mất đi do bức xạ Hawking, bán kính sẽ đồng thời giảm, do đó giá trị khối lượng sẽ lại nhỏ hơn giá trị tới hạn của vật thể này.
Một cái lỗ có thể chết?
Các nhà khoa học đưa ra giả thiết về sự tồn tại của các quá trình do sự tham gia của các hạt và phản hạt. Sự dao động của các phần tử có thể làm cho không gian trống được đặc trưngmức năng lượng bằng không, (đây là một nghịch lý!) sẽ không bằng không. Đồng thời, chân trời sự kiện vốn có trong cơ thể sẽ nhận được phổ năng lượng thấp vốn có trong vật thể đen tuyệt đối. Bức xạ như vậy sẽ làm mất khối lượng. Đường chân trời sẽ co lại một chút. Giả sử có hai cặp hạt và hạt đối kháng của nó. Có sự tiêu diệt một hạt từ một cặp và chất đối kháng của nó với một cặp khác. Hệ quả là có các photon bay ra khỏi lỗ. Cặp hạt thứ hai được đề xuất rơi vào lỗ, đồng thời hấp thụ một số khối lượng, năng lượng. Dần dần, điều này dẫn đến cái chết của lỗ đen.
Như một kết luận
Theo một số người, lỗ đen là một loại máy hút bụi vũ trụ. Một cái lỗ có thể nuốt chửng một ngôi sao, thậm chí nó có thể “ăn” cả một thiên hà. Theo nhiều cách, có thể tìm thấy lời giải thích về các đặc tính của lỗ, cũng như các đặc điểm hình thành của nó trong lý thuyết tương đối. Từ đó người ta biết rằng thời gian là liên tục, cũng như không gian. Điều này giải thích tại sao các quá trình nén không thể bị dừng lại, chúng không giới hạn và không giới hạn.
Đây là những lỗ đen bí ẩn này mà các nhà vật lý thiên văn đã nghiên cứu bộ não của họ trong hơn một thập kỷ.
