Kes avastas mustad augud? Ettekanne teemal "Mustade aukude avastamise ja uurimise ajalugu" Mustade aukude avastamine.

« Ulmekirjandusest võib kasu olla – see ergutab kujutlusvõimet ja leevendab hirmu tuleviku ees. Teaduslikud faktid võivad aga olla palju rabavamad. Ulme isegi ei kujutanud ette selliseid asju nagu mustad augud.»
Stephen Hawking

Inimese jaoks peitub universumi sügavustes lugematu arv saladusi ja saladusi. Üks neist on mustad augud – objektid, mida isegi inimkonna suurimad mõistused ei mõista. Sajad astrofüüsikud püüavad avastada mustade aukude olemust, kuid praeguses etapis pole me nende olemasolu isegi praktikas tõestanud.

Filmirežissöörid pühendavad neile oma filmid ning tavainimeste seas on mustad augud muutunud nii kultusnähtuseks, et neid samastatakse maailmalõpu ja peatse surmaga. Neid kardetakse ja vihatakse, kuid samal ajal jumaldatakse neid ja kummardatakse tundmatu ees, millest need kummalised universumi killud on tulvil. Nõus, musta auku neelamine on selline romantika. Nende abiga on see võimalik, samuti võivad nad saada meile teejuhiks.

Kollane ajakirjandus spekuleerib sageli mustade aukude populaarsuse üle. Ajalehtedest pealkirjade leidmine, mis on seotud järjekordse supermassiivse musta auguga kokkupõrke tõttu planeedi maailmalõpuga, pole probleem. Palju hullem on see, et kirjaoskamatu osa elanikkonnast võtab kõike tõsiselt ja tekitab tõelist paanikat. Selguse toomiseks läheme teekonnale mustade aukude avastamise päritolu juurde ja püüame aru saada, mis see on ja kuidas sellega suhestuda.

nähtamatud tähed

Juhtus nii, et kaasaegsed füüsikud kirjeldavad meie universumi ehitust relatiivsusteooria abil, mille Einstein 20. sajandi alguses inimkonnale hoolega pakkus. Seda müstilisemad on mustad augud, mille sündmuste horisondil lakkavad toimimast kõik meile teadaolevad füüsikaseadused, sealhulgas Einsteini teooria. Kas pole imeline? Lisaks avaldati oletus mustade aukude olemasolust ammu enne Einsteini enda sündi.

1783. aastal suurenes Inglismaal teaduslik tegevus märkimisväärselt. Sel ajal käis teadus religiooniga kõrvuti, nad said omavahel hästi läbi ja teadlasi ei peetud enam ketseriks. Lisaks tegelesid preestrid teadusliku uurimistööga. Üks neist Jumala teenijatest oli inglise pastor John Michell, kes ei esitanud endale mitte ainult eluküsimusi, vaid ka üsna teaduslikke ülesandeid. Michell oli väga tituleeritud teadlane: algul oli ta ühes kolledžis matemaatika ja antiiklingvistika õppejõud ning pärast seda võeti ta mitmete avastuste eest vastu Londoni Kuninglikku Seltsi.

John Michell tegeles seismoloogiaga, kuid vabal ajal meeldis talle mõelda igaviku ja kosmose üle. Nii tekkiski tal idee, et kuskil universumi sügavustes võivad eksisteerida ülimassiivsed kehad, millel on nii tugev gravitatsioon, et sellise keha gravitatsioonijõu ületamiseks on vaja liikuda kiirusega, mis on võrdne või suurem kui valguse kiirus. Kui me aktsepteerime sellist teooriat tõena, siis isegi valgus ei suuda arendada teist kosmilist kiirust (kiirust, mis on vajalik lahkuva keha gravitatsioonilise külgetõmbe ületamiseks), mistõttu selline keha jääb palja silmaga nähtamatuks.

Michell nimetas oma uut teooriat "tumedateks tähtedeks" ja püüdis samal ajal arvutada selliste objektide massi. Ta väljendas oma mõtteid selles küsimuses avalikus kirjas Londoni Kuninglikule Seltsile. Kahjuks ei olnud neil päevil sellistel uurimistöödel teadusele erilist väärtust, mistõttu Michelli kiri saadeti arhiivi. Vaid kakssada aastat hiljem, 20. sajandi teisel poolel, leiti see tuhandete teiste iidses raamatukogus hoolikalt talletatud dokumentide hulgast.

Esimesed teaduslikud tõendid mustade aukude olemasolu kohta

Pärast Einsteini üldise relatiivsusteooria avaldamist asusid matemaatikud ja füüsikud tõsiselt lahendama saksa teadlase esitatud võrrandeid, mis pidid meile universumi ehitusest palju rääkima. Saksa astronoom, füüsik Karl Schwarzschild otsustas 1916. aastal sama teha.

Teadlane jõudis oma arvutusi kasutades järeldusele, et mustade aukude olemasolu on võimalik. Ta oli ka esimene, kes kirjeldas seda, mida hiljem nimetati romantiliseks fraasiks "sündmuste horisont" - aegruumi kujuteldavat piiri musta augu juures, mille ületamisel saabub punkt, kust tagasipöördumist ei toimu. Sündmuste horisondist ei pääse miski, isegi valgus mitte. Sündmushorisondist tagapool tekib nn singulaarsus, kus meile teadaolevad füüsikaseadused lakkavad toimimast.

Jätkates oma teooria arendamist ja võrrandite lahendamist, avastas Schwarzschild enda ja maailma jaoks uusi mustade aukude saladusi. Seega suutis ta ainult paberil arvutada kauguse musta augu keskpunktist, kus selle mass on koondunud, sündmuste horisondini. Schwarzschild nimetas seda kaugust gravitatsiooniraadiuseks.

Vaatamata sellele, et matemaatiliselt olid Schwarzschildi lahendused erakordselt õiged ja neid ei saanud ümber lükata, ei saanud 20. sajandi alguse teadlaskond nii šokeeriva avastusega kohe leppida ning mustade aukude olemasolu kirjutati maha fantaasiana, mis aeg-ajalt avaldus relatiivsusteoorias. Järgmise viieteistkümne aasta jooksul oli mustade aukude olemasolu kosmose uurimine aeglane ja sellega tegelesid vaid mõned saksa füüsiku teooria järgijad.

Tähed, mis sünnitavad pimedust

Pärast Einsteini võrrandite lahtivõtmist oli aeg kasutada tehtud järeldusi universumi struktuuri mõistmiseks. Eelkõige tähtede evolutsiooni teoorias. Pole saladus, et miski meie maailmas ei kesta igavesti. Isegi tähtedel on oma elutsükkel, ehkki pikem kui inimesel.

Üks esimesi teadlasi, kes hakkas tähtede evolutsiooni vastu tõsiselt huvi tundma, oli Indiast pärit noor astrofüüsik Subramanjan Chandrasekhar. 1930. aastal avaldas ta teadusliku töö, mis kirjeldas tähtede väidetavat sisemist ehitust ja ka nende elutsükleid.

Juba 20. sajandi alguses arvasid teadlased sellist nähtust nagu gravitatsiooniline kokkutõmbumine (gravitatsiooniline kollaps). Teatud ajahetkel oma elus hakkab täht gravitatsioonijõudude mõjul tohutu kiirusega kokku tõmbuma. Reeglina juhtub see tähe surma hetkel, kuid gravitatsioonilise kollapsi korral on kuuma palli edasiseks eksisteerimiseks mitu võimalust.

Chandrasekhari juhendaja, omal ajal lugupeetud teoreetiline füüsik Ralph Fowler soovitas, et gravitatsioonilise kollapsi ajal muutub iga täht väiksemaks ja kuumemaks – valgeks kääbuseks. Kuid selgus, et õpilane "rikkus" õpetaja teooriat, mida eelmise sajandi alguses jagas enamik füüsikuid. Noore hindu töö järgi sõltub tähe surm selle algmassist. Näiteks võivad valgeteks kääbusteks saada vaid need tähed, mille mass ei ületa 1,44 korda Päikese massi. Seda numbrit on nimetatud Chandrasekhari limiidiks. Kui tähe mass ületas selle piiri, sureb see täiesti erineval viisil. Teatud tingimustel võib selline surmahetkel olev täht uuesti sündida uueks neutrontäheks – see on veel üks tänapäevase universumi mõistatus. Relatiivsusteooria seevastu ütleb meile veel ühe võimaluse – tähe kokkusurumine üliväikesteks väärtusteks ja siit algabki kõige huvitavam.

1932. aastal ilmus ühes teadusajakirjas artikkel, milles NSVLi geniaalne füüsik Lev Landau soovitas, et kokkuvarisemise ajal surutakse ülimassiivne täht lõpmatu väikese raadiuse ja lõpmatu massiga punktiks. Hoolimata asjaolust, et sellist sündmust on ettevalmistamata inimese seisukohast väga raske ette kujutada, polnud Landau tõest kaugel. Füüsik pakkus ka välja, et relatiivsusteooria järgi oleks gravitatsioon sellises punktis nii suur, et hakkaks aegruumi moonutama.

Astrofüüsikutele Landau teooria meeldis ja nad jätkasid selle arendamist. 1939. aastal ilmus Ameerikas tänu kahe füüsiku – Robert Oppenheimeri ja Hartland Sneijderi – pingutustele teooria, mis kirjeldab üksikasjalikult ülimassiivset tähte kokkuvarisemise ajal. Sellise sündmuse tulemusena oleks pidanud tekkima tõeline must auk. Vaatamata argumentide veenvusele eitasid teadlased jätkuvalt niisuguste kehade olemasolu kui ka tähtede nendeks muutumise võimalust. Isegi Einstein distantseeris end sellest ideest, uskudes, et täht pole sellisteks fenomenaalseteks muutusteks võimeline. Teised füüsikud ei olnud oma väljaütlemistes koonerdavad, nimetades selliste sündmuste võimalikkust naeruväärseks.
Teadus jõuab aga alati tõeni, tuleb vaid veidi oodata. Ja nii see juhtuski.

Universumi eredaimad objektid

Meie maailm on paradokside kogum. Mõnikord eksisteerivad selles koos asjad, mille kooseksisteerimine trotsib igasugust loogikat. Näiteks mõiste "must auk" ei seostuks tavainimesel väljendiga "uskumatult hele", kuid eelmise sajandi 60. aastate alguse avastus võimaldas teadlastel seda väidet valeks pidada.

Teleskoopide abil õnnestus astrofüüsikutel tähistaevas tuvastada senitundmatuid objekte, mis käitusid üsna kummaliselt vaatamata sellele, et nägid välja nagu tavalised tähed. Ameerika teadlane Martin Schmidt juhtis neid kummalisi valgustiid uurides tähelepanu nende spektrograafiale, mille andmed näitasid teiste tähtede skaneerimisest erinevaid tulemusi. Lihtsamalt öeldes ei olnud need tähed nagu teised, kellega oleme harjunud.

Äkitselt koitis see Schmidtile ja ta juhtis tähelepanu spektri nihkele punases vahemikus. Selgus, et need objektid on meist palju kaugemal kui tähed, mida oleme harjunud taevas nägema. Näiteks Schmidti vaadeldud objekt asus meie planeedist kahe ja poole miljardi valgusaasta kaugusel, kuid säras sama eredalt kui mõnisada valgusaasta kaugusel olev täht. Selgub, et ühe sellise objekti valgus on võrreldav terve galaktika heledusega. See avastus oli tõeline läbimurre astrofüüsikas. Teadlane nimetas neid objekte "kvaasitähtedeks" või lihtsalt "kvaasariks".

Martin Schmidt jätkas uute objektide uurimist ja sai teada, et nii ereda sära võib põhjustada ainult üks põhjus - akretsioon. Akretsioon on ümbritseva aine neeldumine ülimassiivse keha poolt gravitatsiooni abil. Teadlane jõudis järeldusele, et kvasarite keskmes on tohutu must auk, mis uskumatu jõuga tõmbab endasse kosmoses ümbritseva aine. Auku aine neeldumise protsessis kiirendatakse osakesed tohutu kiiruseni ja hakkavad hõõguma. Omapärast helendavat kuplit musta augu ümber nimetatakse akretsioonikettaks. Selle visualiseerimist demonstreeris hästi Christopher Nolani film "Interstellar", mis tekitas palju küsimusi "kuidas saab must auk hõõguda?".

Tänaseks on teadlased tähistaevast leidnud tuhandeid kvasareid. Neid kummalisi, uskumatult eredaid objekte nimetatakse universumi majakateks. Need võimaldavad meil kosmose struktuuri pisut paremini ette kujutada ja läheneda hetkele, millest see kõik alguse sai.

Hoolimata asjaolust, et astrofüüsikud on juba aastaid kogunud kaudseid tõendeid ülimassiivsete nähtamatute objektide olemasolu kohta Universumis, eksisteeris mõiste "must auk" alles 1967. aastal. Keeruliste nimede vältimiseks tegi Ameerika füüsik John Archibald Wheeler ettepaneku nimetada selliseid objekte "mustadeks aukudeks". Miks mitte? Mingil määral on need mustad, sest me ei näe neid. Lisaks tõmbavad nad kõike ligi, neisse võib kukkuda nagu päris auku. Ja tänapäeva füüsikaseaduste kohaselt on sellisest kohast väljapääs lihtsalt võimatu. Stephen Hawking aga väidab, et läbi musta augu reisides võib sattuda teise Universumi, teise maailma ja see on lootus.

Hirm lõpmatuse ees

Mustade aukude liigse salapära ja romantiseerimise tõttu on neist objektidest saanud inimeste seas tõeline õuduslugu. Kollane ajakirjandus armastab spekuleerida elanikkonna kirjaoskamatuse üle, avaldades hämmastavaid lugusid sellest, kuidas meie Maa poole liigub tohutu must auk, mis mõne tunniga neelab päikesesüsteemi või paiskab meie poole lihtsalt mürgiseid gaase. planeet.

Eriti populaarne on teema planeedi hävitamisest suure hadronipõrgetise abil, mis ehitati Euroopas 2006. aastal Euroopa Tuumauuringute Nõukogu (CERN) territooriumil. Paanikalaine algas kellegi rumala naljana, kuid kasvas lumepallina. Keegi käivitas kuulujutu, et põrkeri osakeste kiirendisse võib tekkida must auk, mis neelaks meie planeedi täielikult alla. Loomulikult hakkasid nördinud inimesed nõudma LHC-s katsete keelustamist, kartes sellist tulemust. Euroopa Kohtusse hakkasid tulema hagiavaldused, milles nõuti põrkeseadme sulgemist ja selle loonud teadlasi karistada täies ulatuses seadusega.

Tegelikult ei eita füüsikud, et osakeste põrkumisel suures hadronipõrgutis võivad tekkida objektid, mis on omadustelt sarnased mustade aukudega, kuid nende suurus on elementaarosakeste suuruse tasemel ja sellised "augud" eksisteerivad nii lühikest aega. et me ei saa isegi nende esinemist registreerida.

Üks peamisi eksperte, kes inimeste ees teadmatuse lainet hajutada püüab, on Stephen Hawking – kuulus teoreetiline füüsik, keda pealegi peetakse mustade aukude osas tõeliseks "guruks". Hawking tõestas, et mustad augud ei neela alati akretsiooniketastes ilmuvat valgust ja osa sellest hajub kosmosesse. Seda nähtust on nimetatud Hawkingi kiirguseks ehk musta augu aurustumiseks. Hawking tuvastas ka seose musta augu suuruse ja selle "aurustumiskiiruse" vahel – mida väiksem see on, seda vähem see ajas eksisteerib. Ja see tähendab, et kõik Suure hadronite põrgataja vastased ei peaks muretsema: selles olevad mustad augud ei saa eksisteerida isegi miljondiku sekundi jooksul.

Teooria pole praktikas tõestatud

Kahjuks ei võimalda inimkonna praeguses arengujärgus olevad tehnoloogiad testida enamikku astrofüüsikute ja teiste teadlaste väljatöötatud teooriatest. Ühest küljest on mustade aukude olemasolu üsna veenvalt tõestatud paberil ja tuletatud valemite abil, milles kõik koondus iga muutujaga. Teisest küljest pole meil praktikas veel õnnestunud päris musta auku oma silmaga näha.

Kõigist erimeelsustest hoolimata viitavad füüsikud, et iga galaktika keskmes on ülimassiivne must auk, mis kogub oma gravitatsiooniga tähed parvedesse ja paneb suures ja sõbralikus seltskonnas mööda universumit ringi rändama. Meie Linnutee galaktikas on erinevatel hinnangutel 200–400 miljardit tähte. Kõik need tähed tiirlevad millegi ümber, millel on tohutu mass, millegi ümber, mida me teleskoobiga ei näe. Tõenäoliselt on see must auk. Kas ta peaks kartma? - Ei, vähemalt mitte järgmise paari miljardi aasta jooksul, aga me saame temast teha veel ühe huvitava filmi.

Must auk on aegruumi piirkond, mille gravitatsiooniline külgetõmme on nii suur, et isegi valguse kiirusel liikuvad objektid, sealhulgas valguskvandid ise, ei saa sealt lahkuda. Selle piirkonna piiri nimetatakse sündmuste horisondiks ja selle iseloomulikku suurust gravitatsiooniraadiuseks.

"Musta augu" idee tekkis esmakordselt 1916. aastal, kui füüsik Schwarzschild lahendas Einsteini võrrandeid. Matemaatika on viinud kummalise järelduseni kompaktsete objektide olemasolust, mille ümber tekib huvitavate omadustega sündmuste horisont. Kuid terminit "must auk" veel ei eksisteerinud. Sündmuste horisont on musta auku ümbritsev ruumipiirkond, kus mateeria ei saa kunagi sellest piirkonnast lahkuda ja musta auku kukkuda. Valgus suudab veel ületada tohutut gravitatsioonijõudu, saata viimaseid voogusid kaduvast ainest, kuid ainult lühikeseks ajaks, kuni langev aine satub nn singulaarsusvööndisse, millest kaugemale jõuab Saksa astronoom Karl Schwarzschild, üks. teoreetilise astrofüüsika rajajatest enam ei ole

1930. aastatel avastas Chadwick neutroni. Peagi püstitati hüpotees neutriinotähtede olemasolu kohta, mis suurte masside juures osutuvad ebastabiilseks ja kahanevad kokkuvarisemiseni. Mõistet "must auk" ikka veel ei eksisteerinud. Ja alles 1960. aastate lõpus ütles ameeriklane John Wheeler "must auk". See on punkt ruumis, kus aine ja energia kaovad gravitatsioonijõudude mõjul. Selles kohas on gravitatsioonijõud nii tugevad, et kõik lähedal on sõna otseses mõttes endasse imetud. Sealt ei pääse isegi valguskiired välja, mistõttu on must auk täiesti nähtamatu. John Wheeler, Ameerika füüsik

"Musta auku" saab tuvastada spetsiifilise röntgenikiirguse järgi, mis tekib siis, kui see aine endasse imeb. 1970. aastatel registreeris Ameerika satelliit "Uhuru" (ühes Aafrika murretest - "Freedom") spetsiifilise röntgenikiirguse. Sellest ajast peale on "must auk" eksisteerinud mitte ainult arvutustes. Just nende uuringute eest sai Riccardo Giacconi 2002. aastal Nobeli preemia. Riccardo Giacconi, Itaalia päritolu Ameerika füüsik, Nobeli füüsikaauhinna laureaat 2002. aastal "röntgenastronoomia ja röntgenteleskoobi leiutamise eest"

Hetkel on teadlased avastanud universumist umbes tuhat objekti, mis on liigitatud mustadeks aukudeks. Kokku on teadlaste hinnangul selliseid objekte kümneid miljoneid. Praegu on ainus usaldusväärne viis musta augu eristamiseks teist tüüpi objektidest mõõta objekti massi ja mõõtmeid ning võrrelda selle raadiust gravitatsiooniraadiusega, mis saadakse valemiga = , kus G on gravitatsioonikonstant , M on objekti mass, c on ülimassiivsete mustade aukude valguse kiirus. Laienenud väga suured mustad augud moodustavad enamiku galaktikate tuuma. Nende hulka kuulub meie galaktika tuumas asuv massiivne must auk, Sagittarius A*, mis on Päikesele lähim supermassiivne must auk. Praegu peab enamik teadlasi astronoomiliste vaatlustega usaldusväärselt tõestatuks tähtede ja galaktikate skaaladega mustade aukude olemasolu. Ameerika astronoomid on leidnud, et ülimassiivsete mustade aukude masse võib oluliselt alahinnata. Teadlased leidsid, et selleks, et tähed saaksid M87 galaktikas (mis asub Maast 50 miljoni valgusaasta kaugusel) nii nagu praegu vaadeldakse, peab keskse musta augu mass olema sama suur kui Radio Galaxy Pic µ A, röntgenijoa on nähtav (sinine) 300 tuhande valgusaasta pikkune, pärit

Ülimassiivsete mustade aukude tuvastamine Kõige usaldusväärsemaks peetakse tõendeid ülimassiivsete mustade aukude olemasolust galaktikate keskpiirkondades. Tänapäeval on teleskoopide eraldusvõime ebapiisav, et eristada ruumipiirkondi musta augu gravitatsiooniraadiuse suurusjärgus. Ülimassiivse keha massi ja ligikaudsete mõõtmete määramiseks on palju võimalusi, kuid enamik neist põhinevad nende ümber pöörlevate objektide (tähed, raadioallikad, gaasilised kettad) orbiitide omaduste mõõtmisel. Kõige lihtsamal ja üsna tavalisel juhul toimub ümberpööramine mööda Kepleri orbiite, mida tõendab satelliidi pöörlemiskiiruse proportsionaalsus orbiidi poolsuurtelje ruutjuurega: . Sel juhul leitakse keskkeha mass üldtuntud valemiga.

Musta augu mõiste on kõigile teada – kooliõpilastest eakateni, seda kasutatakse ulme- ja ilukirjanduses, kollases meedias ja teaduskonverentsidel. Kuid mitte kõik ei tea, mis need augud täpselt on.

Mustade aukude ajaloost

1783 Esimese hüpoteesi sellise nähtuse nagu must auk olemasolu kohta esitas 1783. aastal inglise teadlane John Michell. Oma teoorias ühendas ta kaks Newtoni loomingut – optika ja mehaanika. Michelli idee oli järgmine: kui valgus on pisikeste osakeste voog, siis nagu kõik teised kehad, peaksid ka osakesed kogema gravitatsioonivälja külgetõmmet. Selgub, et mida massiivsem on täht, seda raskem on valgusel oma külgetõmbejõule vastu seista. 13 aastat pärast Michelli esitas prantsuse astronoom ja matemaatik Laplace (tõenäoliselt sõltumatult oma Briti kolleegist) sarnase teooria.

1915. aasta Kõik nende tööd jäid aga kuni 20. sajandi alguseni välja nõudmata. 1915. aastal avaldas Albert Einstein üldise relatiivsusteooria ja näitas, et gravitatsioon on aine poolt põhjustatud aegruumi kõverus ning mõni kuu hiljem kasutas Saksa astronoom ja teoreetiline füüsik Karl Schwarzschild seda konkreetse astronoomilise probleemi lahendamiseks. Ta uuris Päikese ümber kõvera aegruumi struktuuri ja avastas uuesti mustade aukude fenomeni.

(John Wheeler lõi termini "mustad augud")

1967. aastal Ameerika füüsik John Wheeler visandas ruumi, mida saab kortsuda nagu paberitükki lõpmata väikeseks punktiks ja nimetas termini "must auk".

1974. aastal Briti füüsik Stephen Hawking tõestas, et kuigi mustad augud neelavad ainet tagasi, võivad nad kiirata kiirgust ja lõpuks aurustuda. Seda nähtust nimetatakse "Hawkingi kiirguseks".

2013. aasta Viimased uuringud pulsarite ja kvasarite kohta ning kosmilise mikrolaine taustkiirguse avastamine on lõpuks võimaldanud kirjeldada mustade aukude kontseptsiooni. 2013. aastal jõudis gaasipilv G2 mustale augule väga lähedale ja tõenäoliselt neeldub see, unikaalse protsessi jälgimine annab suurepärased võimalused uuteks mustade aukude tunnuste avastamiseks.

(Massiivne objekt Ambur A *, selle mass on 4 miljonit korda suurem kui Päikesel, mis tähendab tähtede parve ja musta augu teket)

2017. aasta. Rühm teadlasi mitme riigi koostööprojektist Event Horizon Telescope, mis ühendas kaheksat Maa mandrite eri punktidest pärit teleskoopi, teostas vaatlusi musta augu kohta, mis on ülimassiivne objekt ja asub galaktikas M87 ehk Neitsi tähtkujus. Objekti mass on 6,5 miljardit (!) Päikese massi, mis on hiiglaslikult kordades suurem kui massiivsel objektil Ambur A *, võrdluseks on läbimõõt veidi väiksem kui kaugus Päikesest Pluutoni.

Vaatlused viidi läbi mitmes etapis, alates 2017. aasta kevadest ja 2018. aasta perioodidel. Infohulka arvutati petabaitides, mis tuli seejärel dešifreerida ja saada ehtne pilt ülikaugest objektist. Seetõttu kulus kõigi andmete eelskannimiseks ja üheks tervikuks liitmiseks veel tervelt kaks aastat.

2019 Andmed dekodeeriti edukalt ja toodi nähtavale, saades kõigi aegade esimese musta augu kujutise.

(Esimene pilt mustast august M87 galaktikas Neitsi tähtkujus)

Pildi eraldusvõime võimaldab näha objekti keskel tagasipöördumispunkti varju. Pilt saadi eriti pika baasjoonega interferomeetriliste vaatluste tulemusena. Need on ühe objekti nn sünkroonsed vaatlused mitmest raadioteleskoobist, mis on omavahel võrguga ühendatud ja asuvad maakera eri paigus, suunatud ühes suunas.

Mis on mustad augud tegelikult?

Nähtuse lakooniline seletus kõlab nii.

Must auk on aegruumi piirkond, mille gravitatsiooniline külgetõmme on nii tugev, et ükski objekt, sealhulgas valguskvant, ei saa sealt lahkuda.

Must auk oli kunagi massiivne täht. Kuni termotuumareaktsioonid säilitavad selle soolestikus kõrge rõhu, jääb kõik normaalseks. Kuid aja jooksul energiavarud ammenduvad ja taevakeha hakkab oma gravitatsiooni mõjul kahanema. Selle protsessi viimane etapp on tähe tuuma kokkuvarisemine ja musta augu teke.

1. Musta augu joa väljutamine suurel kiirusel

2. Aineketas kasvab mustaks auguks

3. Must auk

4. Musta augu piirkonna üksikasjalik skeem

5. Leitud uute vaatluste suurus

Kõige levinum teooria ütleb, et sarnaseid nähtusi on igas galaktikas, sealhulgas meie Linnutee keskmes. Augu tohutu gravitatsioon suudab enda ümber hoida mitut galaktikat, takistades neil üksteisest eemaldumast. "Katvusala" võib olla erinev, kõik sõltub mustaks auguks muutunud tähe massist ja võib olla tuhandeid valgusaastaid.

Schwarzschildi raadius

Musta augu peamine omadus on see, et ükski aine, mis sinna satub, ei saa kunagi tagasi pöörduda. Sama kehtib ka valguse kohta. Oma tuumas on augud kehad, mis neelavad täielikult kogu neile langeva valguse ega kiirga enda oma. Sellised objektid võivad visuaalselt paista absoluutse pimeduse klombidena.

1. Aine liigub poole valguse kiirusega

2. Footonirõngas

3. Sisemine footonrõngas

4. Sündmuste horisont mustas augus

Lähtudes Einsteini üldisest relatiivsusteooriast, ei saa keha enam tagasi pöörduda, kui keha läheneb augu keskpunktist kriitilisele kaugusele. Seda kaugust nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks. Mis täpselt selles raadiuses toimub, pole täpselt teada, kuid on olemas kõige levinum teooria. Arvatakse, et kogu musta augu aine on koondunud lõpmatult väikesesse punkti ja selle keskel on lõpmatu tihedusega objekt, mida teadlased nimetavad ainsuse häiringuks.

Kuidas see musta auku kukub

(Pildil näeb Ambur A * must auk välja kui ülihea valguskobar)

Mitte nii kaua aega tagasi, 2011. aastal, avastasid teadlased gaasipilve, andes sellele lihtsa nime G2, mis kiirgab ebatavalist valgust. Selline sära võib tekitada hõõrdumist gaasis ja tolmus, mis on põhjustatud musta augu Ambur A * toimest ja mis pöörlevad selle ümber akretsiooniketta kujul. Nii saame me vaatlejateks hämmastavale nähtusele, milleks on gaasipilve neeldumine ülimassiivse musta augu poolt.

Hiljutiste uuringute kohaselt toimub mustale augule lähim lähenemine 2014. aasta märtsis. Saame uuesti luua pildi sellest, kuidas see põnev vaatemäng välja näeb.

1. Kui see esimest korda andmetesse ilmub, meenutab gaasipilv tohutut gaasi- ja tolmupalli.

2. Nüüd, 2013. aasta juuni seisuga, on pilv mustast august kümnete miljardite kilomeetrite kaugusel. See kukub sellesse kiirusega 2500 km / s.

3. Eeldatakse, et pilv möödub mustast august, kuid pilve esi- ja tagaservadele mõjuva külgetõmbe erinevusest põhjustatud tõusulaine pikenevad üha enam.

4. Pärast pilve purunemist ühineb suurem osa sellest suure tõenäosusega Sagittarius A* ümber paikneva akretsioonikettaga, tekitades selles lööklaineid. Temperatuur tõuseb mitme miljoni kraadini.

5. Osa pilvest kukub otse musta auku. Keegi ei tea täpselt, mis sellest ainest saab, kuid eeldatakse, et kukkumise käigus kiirgab see võimsaid röntgenikiirte voogusid ja keegi teine seda ei näe.

Video: must auk neelab gaasipilve

(Arvutisimulatsioon selle kohta, kui suure osa G2 gaasipilvest hävitab ja tarbib must auk Sagittarius A*)

Mis on musta augu sees

On olemas teooria, mis väidab, et sees olev must auk on praktiliselt tühi ja kogu selle mass on koondunud uskumatult väikesesse punkti, mis asub selle kõige keskel - singulaarsuses.

Teise pool sajandit eksisteerinud teooria järgi läheb kõik, mis musta auku kukub, teise universumisse, mis asub mustas augus endas. Nüüd pole see teooria peamine.

Ja on veel kolmas, kõige moodsam ja sitkem teooria, mille kohaselt kõik, mis musta auku langeb, lahustub selle pinnal, mis on määratud sündmuste horisondiks, olevate nööride vibratsioonis.

Mis on siis sündmuste horisont? Musta augu sisse on võimatu vaadata isegi ülivõimsa teleskoobiga, sest isegi hiiglaslikku kosmilisse lehtrisse sattunud valgusel pole võimalust tagasi tulla. Kõik see, mida saab kuidagi kaaluda, on selle vahetus läheduses.

Sündmushorisont on pinna tingimuslik joon, mille alt ei pääse miski (ei gaas, tolm, tähed ega valgus). Ja see on väga salapärane punkt, kust universumi mustades aukudes enam tagasi pole.

Seoses suhteliselt hiljutise huvi kasvuga kosmoseuuringute populaarteaduslike filmide tegemise vastu on tänapäeva vaataja palju kuulnud sellistest nähtustest nagu singulaarsus ehk must auk. Kuid ilmselgelt ei paljasta filmid nende nähtuste täit olemust ja mõnikord isegi moonutavad üles ehitatud teaduslikke teooriaid suurema efekti saavutamiseks. Sel põhjusel on paljude kaasaegsete inimeste ettekujutus nendest nähtustest kas täiesti pealiskaudne või täiesti ekslik. Üheks lahenduseks tekkinud probleemile on käesolev artikkel, milles püüame mõista olemasolevaid uurimistulemusi ja vastata küsimusele - mis on must auk?

1784. aastal mainis inglise preester ja loodusteadlane John Michell esmakordselt kirjas Kuninglikule Seltsile hüpoteetilist massiivset keha, millel on nii tugev gravitatsiooniline külgetõmme, et selle teine kosmiline kiirus ületaks valguse kiiruse. Teine põgenemiskiirus on kiirus, mida suhteliselt väike objekt vajaks, et ületada taevakeha gravitatsioonijõud ja lahkuda selle keha ümber suletud orbiidilt. Tema arvutuste kohaselt on Päikese tihedusega ja 500 päikeseraadiuse raadiusega keha pinnal teine kosmiline kiirus, mis võrdub valguse kiirusega. Sellisel juhul ei lahku isegi valgus sellise keha pinnalt ja seetõttu neelab see keha ainult sissetulevat valgust ja jääb vaatlejale nähtamatuks - omamoodi mustaks täpiks pimeda ruumi taustal.

Michelli pakutud ülimassiivse keha kontseptsioon ei äratanud aga suurt huvi kuni Einsteini loominguni. Tuletame meelde, et viimane määratles valguse kiiruse kui teabe edastamise piirava kiiruse. Lisaks laiendas Einstein gravitatsiooniteooriat valguse kiirusele lähedastele kiirustele (). Seetõttu ei olnud Newtoni teooriat mustade aukude puhul enam asjakohane rakendada.

Einsteini võrrand

Mustade aukude üldrelatiivsusteooria rakendamise ja Einsteini võrrandite lahendamise tulemusena selgusid musta augu peamised parameetrid, mida on ainult kolm: mass, elektrilaeng ja nurkimpulss. Tuleb märkida India astrofüüsiku Subramanjan Chandrasekhari märkimisväärset panust, kes lõi põhjapaneva monograafia: "Mustade aukude matemaatiline teooria".

Seega kujutab Einsteini võrrandite lahendust neli võimalust nelja võimaliku tüüpi mustade aukude jaoks:

Must auk ilma pöörlemise ja laenguta – Schwarzschildi lahendus. Üks esimesi musta augu kirjeldusi (1916), kasutades Einsteini võrrandeid, kuid võtmata arvesse kahte keha kolmest parameetrist. Saksa füüsiku Karl Schwarzschildi lahendus võimaldab arvutada sfäärilise massiivse keha välise gravitatsioonivälja. Saksa teadlase mustade aukude kontseptsiooni eripäraks on sündmuste horisondi ja selle taga oleva horisondi olemasolu. Schwarzschild arvutas kõigepealt välja ka gravitatsiooniraadiuse, mis sai tema nime ja mis määrab selle sfääri raadiuse, millel asetseks antud massiga keha jaoks sündmuste horisont.
Ilma pöörlemiseta must auk laenguga - Reisner-Nordströmi lahendus. Aastatel 1916-1918 välja pakutud lahendus, mis arvestab musta augu võimalikku elektrilaengut. See laeng ei saa olla meelevaldselt suur ja on sellest tuleneva elektrilise tõuke tõttu piiratud. Viimast tuleb kompenseerida gravitatsioonilise külgetõmbe abil.
Pöörleva ja laenguta must auk – Kerri lahendus (1963). Pöörlev Kerri must auk erineb staatilisest nn ergosfääri olemasolu poolest (selle ja teiste musta augu komponentide kohta loe edasi).
BH koos pöörlemise ja laadimisega - Kerr-Newmani lahendus. See lahendus arvutati 1965. aastal ja on praegu kõige täielikum, kuna see võtab arvesse kõiki kolme BH parameetrit. Siiski eeldatakse endiselt, et mustadel aukudel on looduses tühine laeng.

Musta augu teke

Musta augu tekkimise ja tekkimise kohta on mitmeid teooriaid, millest tuntuim on piisava massiga tähe tekkimine gravitatsioonilise kollapsi tagajärjel. Selline kokkusurumine võib lõpetada selliste tähtede evolutsiooni, mille mass on üle kolme päikese massi. Pärast termotuumareaktsioonide lõppemist selliste tähtede sees hakkavad nad kiiresti kahanema ülitihedaks. Kui neutrontähe gaasi rõhk ei suuda gravitatsioonijõude kompenseerida ehk siis tähe mass ületab nn. Oppenheimeri-Volkovi piir, siis kollaps jätkub, mille tulemusena surutakse aine kokku mustaks auguks.

Teine stsenaarium, mis kirjeldab musta augu sündi, on protogalaktilise gaasi kokkusurumine, st tähtedevaheline gaas, mis on muutumise staadiumis galaktikaks või mingiks parveks. Samade gravitatsioonijõudude kompenseerimiseks ebapiisava siserõhu korral võib tekkida must auk.

Kaks muud stsenaariumi jäävad hüpoteetiliseks:

Musta augu tekkimine selle tagajärjel - nn. ürgsed mustad augud.
Tekkimine suure energiaga tuumareaktsioonide tulemusena. Selliste reaktsioonide näiteks on katsed põrkeseadmetega.

Mustade aukude struktuur ja füüsika

Musta augu struktuur Schwarzschildi järgi sisaldab ainult kahte varem mainitud elementi: musta augu singulaarsust ja sündmuste horisonti. Lühidalt singulaarsusest rääkides võib märkida, et selle kaudu on võimatu sirgjoont tõmmata ja ka enamik olemasolevaid füüsikalisi teooriaid selle sees ei tööta. Seega jääb singulaarsuse füüsika tänapäeval teadlastele mõistatuseks. must auk - see on omamoodi piir, mida ületades kaotab füüsiline objekt võime sellest kaugemale tagasi pöörduda ja ühemõtteliselt "kukkub" musta augu singulaarsusse.

Musta augu struktuur muutub mõnevõrra keerulisemaks Kerri lahenduse korral, nimelt BH rotatsiooni olemasolul. Kerri lahendus eeldab, et augul on ergosfäär. Ergosfäär – sündmuste horisondist väljaspool asuv teatud ala, mille sees liiguvad kõik kehad musta augu pöörlemissuunas. See ala pole veel põnev ja erinevalt sündmuste horisondist on võimalik sealt lahkuda. Ergosfäär on ilmselt omamoodi akretsiooniketta analoog, mis kujutab endast massiivsete kehade ümber pöörlevat ainet. Kui staatilist Schwarzschildi musta auku kujutatakse musta sfäärina, siis Kerry must auk on ergosfääri olemasolu tõttu lapiku ellipsoidi kujuga, mille kujul nägime vanasti joonistel sageli musti auke. filme või videomänge.

Kui palju must auk kaalub? - Suurim teoreetiline materjal musta augu ilmnemise kohta on saadaval selle stsenaariumi kohta, mis ilmneb tähe kokkuvarisemise tagajärjel. Sel juhul määratakse neutrontähe maksimaalne ja musta augu minimaalne mass Oppenheimeri-Volkovi piiriga, mille järgi on BH massi alumine piir 2,5 - 3 päikesemassi. Kõigi aegade raskeima musta augu (galaktikas NGC 4889) mass on 21 miljardit päikesemassi. Siiski ei tohiks unustada musti auke, mis hüpoteetiliselt tulenevad suure energiaga tuumareaktsioonidest, näiteks põrkajate juures. Selliste kvantmustade aukude, teisisõnu "Plancki mustade aukude" mass on suurusjärgus , nimelt 2 10–5 g.
Musta augu suurus. Minimaalse BH raadiuse saab arvutada minimaalse massi järgi (2,5 - 3 päikese massi). Kui Päikese gravitatsiooniraadius ehk piirkond, kus oleks sündmuste horisont, on umbes 2,95 km, siis 3 päikesemassi BH minimaalne raadius on umbes üheksa kilomeetrit. Sellised suhteliselt väikesed suurused ei mahu pähe, kui tegemist on massiivsete objektidega, mis tõmbavad kõike ümbritsevat. Kvantmustade aukude raadius on aga –10–35 m.
Musta augu keskmine tihedus sõltub kahest parameetrist: massist ja raadiusest. Umbes kolme päikesemassiga musta augu tihedus on umbes 6 10 26 kg/m³, vee tihedus aga 1000 kg/m³. Nii väikseid musti auke pole teadlased aga leidnud. Enamiku tuvastatud BH-de mass on suurem kui 105 päikesemassi. On huvitav muster, mille kohaselt mida massiivsem on must auk, seda väiksem on selle tihedus. Sel juhul toob massi muutus 11 suurusjärgu võrra kaasa tiheduse muutuse 22 suurusjärgu võrra. Seega on musta augu, mille mass on 1 ·10 9 päikesemassi, tihedus 18,5 kg/m³, mis on ühe võrra väiksem kulla tihedusest. Ja mustade aukude, mille mass on üle 10 10 päikesemassi, keskmine tihedus võib olla õhu tihedusest väiksem. Nende arvutuste põhjal on loogiline eeldada, et musta augu teke ei toimu mitte aine kokkusurumise, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse. Kvantmustade aukude puhul võib nende tihedus olla umbes 10 94 kg/m³.
Ka musta augu temperatuur on pöördvõrdeline selle massiga. See temperatuur on otseselt seotud. Selle kiirguse spekter langeb kokku täiesti musta keha spektriga, see tähendab keha, mis neelab kogu langeva kiirguse. Musta keha kiirgusspekter sõltub ainult selle temperatuurist, siis saab musta augu temperatuuri määrata Hawkingi kiirgusspektrist. Nagu eespool mainitud, on see kiirgus seda võimsam, mida väiksem on must auk. Samal ajal jääb Hawkingi kiirgus hüpoteetiliseks, kuna astronoomid pole seda veel täheldanud. Sellest järeldub, et kui Hawkingi kiirgus on olemas, siis on vaadeldavate BH-de temperatuur nii madal, et see ei võimalda näidatud kiirgust tuvastada. Arvutuste kohaselt on isegi Päikese massi suurusjärgus oleva augu temperatuur tühiselt väike (1 ·10 -7 K ehk -272°C). Kvantmustade aukude temperatuur võib ulatuda umbes 10 12 K-ni ja nende kiire aurustumisega (umbes 1,5 min) võivad sellised mustad augud eraldada energiat suurusjärgus kümme miljonit aatomipommi. Kuid õnneks nõuab selliste hüpoteetiliste objektide loomine 10 14 korda suuremat energiat kui täna suures hadronite põrgatis. Lisaks pole astronoomid selliseid nähtusi kunagi täheldanud.

Millest CHD koosneb?

Teine küsimus teeb murelikuks nii teadlasi kui ka lihtsalt astrofüüsikahuvilisi – millest must auk koosneb? Sellele küsimusele pole ühest vastust, sest pole võimalik vaadata kaugemale mis tahes musta auku ümbritsevast sündmuste horisondist. Lisaks, nagu varem mainitud, näevad musta augu teoreetilised mudelid ette ainult 3 selle komponenti: ergosfäär, sündmuste horisont ja singulaarsus. On loogiline eeldada, et ergosfääris on ainult need objektid, mida must auk tõmbas ja mis nüüd selle ümber tiirlevad - mitmesugused kosmilised kehad ja kosmiline gaas. Sündmuste horisont on vaid õhuke kaudne piir, millest kord üle tõmbuvad samad kosmilised kehad pöördumatult musta augu viimase põhikomponendi – singulaarsuse – poole. Singulaarsuse olemust pole tänapäeval uuritud ja selle koostisest on veel vara rääkida.

Mõnede eelduste kohaselt võib must auk koosneda neutronitest. Kui järgida musta augu tekkimise stsenaariumi tähe kokkusurumisel neutrontäheks koos selle järgneva kokkusurumisega, siis tõenäoliselt koosneb musta augu põhiosa neutronitest, millest neutrontäht. ise koosneb. Lihtsamalt öeldes: kui täht kokku variseb, surutakse selle aatomid kokku nii, et elektronid ühinevad prootonitega, moodustades seeläbi neutroneid. Selline reaktsioon toimub tõepoolest looduses, neutroni tekkega tekib neutriinode emissioon. Need on siiski vaid oletused.

Mis juhtub, kui kukud musta auku?

Astrofüüsilisse musta auku kukkumine viib keha venitamiseni. Mõelge hüpoteetilisele enesetapu astronaudile, kes suundub musta auku ja kannab ainult skafandrit, jalad ees. Sündmushorisonti ületades ei märka astronaut mingeid muutusi, hoolimata sellest, et tal pole enam võimalust tagasi saada. Mingil hetkel jõuab astronaut punkti (sündmushorisondist veidi tagapool), kus hakkab toimuma tema keha deformatsioon. Kuna musta augu gravitatsiooniväli on ebaühtlane ja seda kujutab tsentri suunas suurenev jõugradient, siis avaldab astronaudi jalgu märgatavalt suurem gravitatsiooniefekt kui näiteks pea. Siis "kukkuvad" jalad gravitatsiooni või pigem loodete mõjul kiiremini. Seega hakkab keha järk-järgult venima pikkuses. Selle nähtuse kirjeldamiseks on astrofüüsikud välja mõelnud üsna loomingulise termini – spagetistamine. Keha edasine venitamine lagundab selle tõenäoliselt aatomiteks, mis varem või hiljem jõuavad singulaarsuseni. Võib vaid oletada, mida inimene selles olukorras tunneb. Tasub teada, et keha venitamise mõju on pöördvõrdeline musta augu massiga. See tähendab, et kui kolme Päikese massiga BH venitab/murdab keha hetkega, siis on ülimassiivsel mustal augul madalamad loodete jõud ja on oletusi, et mõned füüsikalised materjalid võivad sellist deformatsiooni taluda ilma oma struktuuri kaotamata.

Nagu teate, liigub aeg massiivsete objektide läheduses aeglasemalt, mis tähendab, et enesetapu astronaudi jaoks kulub aeg palju aeglasemalt kui maalaste jaoks. Sel juhul võib-olla elab ta üle mitte ainult oma sõprade, vaid ka Maa enda. Arvutused on vajalikud, et teha kindlaks, kui palju astronaudi aeg aeglustub, kuid ülaltoodu põhjal võib eeldada, et astronaut kukub musta auku väga aeglaselt ja ei pruugi lihtsalt elada hetkeni, mil tema keha algab. deformeerida.

Tähelepanuväärne on see, et väljas oleva vaatleja jaoks jäävad kõik sündmuste horisonti üles lennanud kehad selle horisondi servale, kuni nende kujutis kaob. Selle nähtuse põhjuseks on gravitatsiooniline punanihe. Mõnevõrra lihtsustades võib öelda, et sündmuste horisondis "külmunud" enesetapuastronaudi kehale langev valgus muudab oma aeglustunud aja tõttu oma sagedust. Mida aeglasemalt aeg möödub, siis valguse sagedus väheneb ja lainepikkus suureneb. Selle nähtuse tulemusena nihkub valgus väljundis, see tähendab välise vaatleja jaoks, järk-järgult madala sageduse - punase - suunas. Toimub valguse nihe piki spektrit, kuna enesetapuastronaut liigub vaatlejast aina kaugemale, kuigi peaaegu märkamatult, ja tema aeg voolab aina aeglasemalt. Seega läheb tema kehalt peegelduv valgus peagi nähtavast spektrist kaugemale (pilt kaob) ning astronaudi keha saab edaspidi tuvastada vaid infrapunapiirkonnas, hiljem raadiosagedusalas ja selle tulemusena kiirgus on täiesti tabamatu.

Vaatamata eelpool kirjutatule eeldatakse, et väga suurtes ülimassiivsetes mustades aukudes ei muutu loodete jõud kaugusega nii palju ja mõjuvad langevale kehale peaaegu ühtlaselt. Sellisel juhul säilitaks langev kosmoselaev oma struktuuri. Tekib mõistlik küsimus – kuhu viib must auk? Sellele küsimusele saab vastata mõnede teadlaste töödega, mis seovad kaks sellist nähtust nagu ussiaugud ja mustad augud.

Juba 1935. aastal esitasid Albert Einstein ja Nathan Rosen, võttes arvesse hüpoteesi niinimetatud ussiaukude olemasolu kohta, mis ühendavad kaks aegruumi punkti viimase olulise kumerusega kohtades - Einstein-Roseni silla. või ussiauk. Sellise võimsa ruumikõveruse jaoks on vaja hiiglasliku massiga kehasid, mille rolliga mustad augud suurepäraselt hakkama saaksid.

Einstein-Roseni silda peetakse läbimatuks ussiauguks, kuna see on väike ja ebastabiilne.

Läbitav ussiauk on mustade ja valgete aukude teooria raames võimalik. Kus valge auk on musta auku sattunud teabe väljund. Valget auku kirjeldatakse üldrelatiivsusteooria raames, kuid tänapäeval jääb see hüpoteetiliseks ja seda pole veel avastatud. Ameerika teadlased Kip Thorne ja tema kraadiõppur Mike Morris pakkusid välja veel ühe ussiaugu mudeli, mis võib olla läbitav. Ent nagu Morris-Thorne’i ussiaugu puhul, nii ka mustade ja valgete aukude puhul eeldab rännakuvõimalus nn eksootilise aine olemasolu, millel on negatiivne energia ja mis jääb samuti hüpoteetiliseks.

Mustad augud universumis

Mustade aukude olemasolu sai kinnitust suhteliselt hiljuti (september 2015), kuid enne seda oli juba palju teoreetilist materjali mustade aukude olemuse kohta, aga ka palju kandidaatobjekte musta augu rolli kohta. Esiteks tuleks arvesse võtta musta augu mõõtmeid, kuna neist sõltub nähtuse olemus:

tähemassi must auk. Sellised objektid tekivad tähe kokkuvarisemise tulemusena. Nagu varem mainitud, on sellise musta augu moodustamiseks võimelise keha minimaalne mass 2,5–3 päikesemassi.
Keskmassiga mustad augud. Tingimuslik vahepealne mustade aukude tüüp, mis on suurenenud lähedal asuvate objektide, näiteks gaaside kogunemise, naabertähe (kahe tähe süsteemides) ja muude kosmiliste kehade neeldumise tõttu.
Supermassiivne must auk. Kompaktsed objektid 10 5 -10 10 päikesemassiga. Selliste BH-de iseloomulikud omadused on paradoksaalselt madal tihedus ja nõrgad loodete jõud, millest oli varem juttu. See on ülimassiivne must auk meie Linnutee galaktika (Sagittarius A*, Sgr A*) ja ka enamiku teiste galaktikate keskel.

CHD kandidaadid

Lähim must auk või õigemini kandidaat musta augu rolli on objekt (V616 Unicorn), mis asub Päikesest 3000 valgusaasta kaugusel (meie galaktikas). See koosneb kahest komponendist: tähest, mille mass on poole päikesemassist, ja ka nähtamatust väikesest kehast, mille mass on 3–5 päikesemassi. Kui see objekt osutub väikeseks tähemassiga mustaks auguks, siis paremalt poolt on see lähim must auk.

Selle objekti järel on teine lähim must auk Cyg X-1 (Cyg X-1), mis oli esimene kandidaat musta augu rolli. Kaugus selleni on ligikaudu 6070 valgusaastat. Üsna hästi uuritud: selle mass on 14,8 päikesemassi ja sündmuste horisondi raadius on umbes 26 km.

Mõnede allikate väitel võib musta augu rolliks olla veel üks lähim kandidaat V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) tähesüsteemis asuv keha, mis asus 1999. aasta hinnangul 1600 valgusaasta kaugusel. Kuid järgnevad uuringud suurendasid seda vahemaad vähemalt 15 korda.

Mitu musta auku on meie galaktikas?

Sellele küsimusele pole täpset vastust, kuna neid on üsna raske jälgida ja kogu taeva uurimise ajal õnnestus teadlastel tuvastada Linnutee sees kümmekond musta auku. Arvutustesse laskumata märgime, et meie galaktikas on umbes 100–400 miljardit tähte ja umbes igal tuhandel tähel on piisavalt massi musta augu moodustamiseks. Tõenäoliselt võis Linnutee eksisteerimise ajal tekkida miljoneid musti auke. Kuna tohutuid musti auke on lihtsam registreerida, on loogiline eeldada, et enamik meie galaktika BH-sid ei ole ülimassiivsed. Tähelepanuväärne on see, et NASA 2005. aasta uuringud viitavad terve galaktika keskpunkti ümber tiirleva mustade aukude sülemile (10-20 tuhat). Lisaks avastasid Jaapani astrofüüsikud 2016. aastal objekti lähedalt massiivse satelliidi * – musta augu, Linnutee tuuma. Selle keha väikese raadiuse (0,15 valgusaastat) ja tohutu massi (100 000 päikesemassi) tõttu viitavad teadlased, et see objekt on ka ülimassiivne must auk.

Meie galaktika tuum, Linnutee must auk (Sagittarius A *, Sgr A * või Sagittarius A *) on ülimassiivne ja selle mass on 4,31 10 6 päikesemassi ja raadius 0,00071 valgusaastat (6,25 valgustundi). ehk 6,75 miljardit km). Sagittarius A* temperatuur koos seda ümbritseva kobaraga on umbes 1 10 7 K.

Suurim must auk

Universumi suurim must auk, mida teadlased on suutnud tuvastada, on ülimassiivne must auk, FSRQ blazar, mis asub galaktika S5 0014+81 keskmes, Maast 1,2·10 10 valgusaasta kaugusel. Esialgsete vaatlustulemuste kohaselt oli Swifti kosmoseobservatooriumi abil musta augu mass 40 miljardit (40 10 9) päikesemassi ja sellise augu Schwarzschildi raadius 118,35 miljardit kilomeetrit (0,013 valgusaastat). . Lisaks tekkis see arvutuste kohaselt 12,1 miljardit aastat tagasi (1,6 miljardit aastat pärast Suurt Pauku). Kui see hiiglaslik must auk ei ima endasse seda ümbritsevat ainet, siis elab see mustade aukude ajastuni – ühe universumi arengu ajastu, mille jooksul hakkavad selles domineerima mustad augud. Kui galaktika S5 0014+81 tuum jätkab kasvamist, saab sellest üks viimaseid musti auke, mis universumis eksisteerivad.

Ülejäänud kaks teadaolevat musta auku, kuigi nimetamata, on mustade aukude uurimisel suurima tähtsusega, kuna kinnitasid nende olemasolu eksperimentaalselt ning andsid olulisi tulemusi ka gravitatsiooni uurimisel. Jutt käib sündmusest GW150914, mida nimetatakse kahe musta augu kokkupõrkeks üheks. Sellel üritusel on lubatud registreerida.

Mustade aukude tuvastamine

Enne mustade aukude tuvastamise meetodite kaalumist tuleks vastata küsimusele – miks on must auk must? - vastus sellele ei nõua sügavaid teadmisi astrofüüsikast ja kosmoloogiast. Fakt on see, et must auk neelab kogu sellele langeva kiirguse ja ei kiirga üldse, kui te ei võta hüpoteetilist arvesse. Kui seda nähtust üksikasjalikumalt käsitleda, võib eeldada, et mustade aukude sees ei toimu protsesse, mis tooksid kaasa energia vabanemise elektromagnetkiirguse kujul. Siis kui must auk kiirgab, siis on see Hawkingi spektris (mis langeb kokku kuumutatud, absoluutselt musta keha spektriga). Kuid nagu varem mainitud, seda kiirgust ei tuvastatud, mis viitab mustade aukude täiesti madalale temperatuurile.

Teine üldtunnustatud teooria ütleb, et elektromagnetkiirgus ei ole üldse võimeline sündmuste horisondist lahkuma. Suure tõenäosusega massiivsed objektid footoneid (valgusosakesi) ei tõmba, kuna teooria kohaselt pole neil endil massi. Must auk aga "meelitab" ikkagi valguse footoneid aegruumi moonutuste kaudu. Kui kujutleda musta auku ruumis teatud süvendina aegruumi siledal pinnal, siis on musta augu keskpunktist teatav kaugus, millele lähenedes ei suuda valgus sellest enam eemalduda. See tähendab, et jämedalt öeldes hakkab valgus "kukkuma" "auku", millel pole isegi "põhja".

Lisaks on gravitatsioonilise punanihke mõju arvestades võimalik, et valgus mustas augus kaotab oma sageduse, nihkudes mööda spektrit madala sagedusega pikalainelise kiirguse piirkonda, kuni kaotab üldse energiat.

Seega on must auk must ja seetõttu on seda ruumis raske tuvastada.

Tuvastamismeetodid

Mõelge meetoditele, mida astronoomid musta augu tuvastamiseks kasutavad:

Lisaks ülalmainitud meetoditele seostavad teadlased sageli selliseid objekte nagu mustad augud ja. Kvasarid on kosmiliste kehade ja gaaside kogumid, mis kuuluvad universumi eredaimate astronoomiliste objektide hulka. Kuna neil on suhteliselt väikeste mõõtmete juures kõrge luminestsentsi intensiivsus, on alust arvata, et nende objektide keskpunkt on ülimassiivne must auk, mis tõmbab ümbritseva aine enda poole. Tänu sellisele võimsale gravitatsioonilisele külgetõmbejõule on tõmmatud aine nii kuumenenud, et kiirgab intensiivselt. Selliste objektide tuvastamist võrreldakse tavaliselt musta augu tuvastamisega. Mõnikord võivad kvasarid kiirata kuumutatud plasma juga kahes suunas – relativistlikud jugad. Selliste jugade (jet) tekkepõhjused pole päris selged, kuid tõenäoliselt on need põhjustatud BH ja akretsiooniketta magnetvälja vastasmõjust ning neid ei kiirga otsene must auk.

M87 galaktika reaktiiv, mis tabab musta augu keskpunkti

Ülaltoodut kokku võttes võib lähedalt ette kujutada: tegemist on sfäärilise musta objektiga, mille ümber pöörleb tugevalt kuumutatud aine, moodustades helendava akretsiooniketta.

Mustade aukude ühinemine ja kokkupõrge

Üks huvitavamaid nähtusi astrofüüsikas on mustade aukude kokkupõrge, mis võimaldab tuvastada ka selliseid massiivseid astronoomilisi kehasid. Sellised protsessid pakuvad huvi mitte ainult astrofüüsikutele, kuna nende tulemuseks on nähtused, mida füüsikud on vähe uurinud. Selgeim näide on varem mainitud sündmus nimega GW150914, mil kaks musta auku lähenesid nii palju, et vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe tulemusena sulasid kokku üheks. Selle kokkupõrke oluline tagajärg oli gravitatsioonilainete tekkimine.

Gravitatsioonilainete definitsiooni järgi on tegemist muutustega gravitatsiooniväljas, mis levivad lainetaoliselt massiivsetelt liikuvatelt objektidelt. Kui kaks sellist objekti lähenevad üksteisele, hakkavad nad pöörlema ümber ühise raskuskeskme. Kui nad lähenevad üksteisele, suureneb nende pöörlemine ümber oma telje. Sellised gravitatsioonivälja muutlikud võnked võivad mingil hetkel moodustada ühe võimsa gravitatsioonilaine, mis võib kosmoses levida miljoneid valgusaastaid. Niisiis toimus 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel kahe musta augu kokkupõrge, mis moodustas võimsa gravitatsioonilaine, mis jõudis Maale 14. septembril 2015 ja mille registreerisid LIGO ja VIRGO detektorid.

Kuidas mustad augud surevad?

Ilmselgelt peaks must auk, et lakkaks olemast, kaotama kogu oma massi. Tema määratluse kohaselt ei saa aga miski mustast august lahkuda, kui see on ületanud sündmuste horisondi. On teada, et esimest korda mainis nõukogude teoreetiline füüsik Vladimir Gribov oma arutelus teise Nõukogude teadlase Jakov Zeldovitšiga esimest korda musta augu poolt osakeste eraldumise võimalust. Ta väitis, et kvantmehaanika seisukohalt on must auk võimeline tunneliefekti kaudu osakesi kiirgama. Hiljem ehitas ta kvantmehaanika abil oma, mõnevõrra teistsuguse teooria, inglise teoreetilise füüsiku Stephen Hawkingi. Selle nähtuse kohta saate rohkem lugeda. Lühidalt öeldes on vaakumis nn virtuaalsed osakesed, mis sünnivad pidevalt paarikaupa ja hävitavad üksteist, samas ei suhtle ümbritseva maailmaga. Kuid kui sellised paarid tekivad musta augu sündmuste horisondis, on tugev gravitatsioon hüpoteetiliselt võimeline neid eraldama, kusjuures üks osake langeb musta auku ja teine läheb mustast august eemale. Ja kuna august eemale lennanud osakest saab vaadelda ja seetõttu on tal positiivne energia, siis peab auku kukkunud osake olema negatiivse energiaga. Seega kaotab must auk oma energia ja tekib efekt, mida nimetatakse musta augu aurustumiseks.

Vastavalt olemasolevatele musta augu mudelitele, nagu varem mainitud, muutub selle massi vähenedes selle kiirgus intensiivsemaks. Siis, musta augu olemasolu viimases etapis, kui seda võidakse vähendada kvantmusta augu suuruseks, vabastab see kiirguse kujul tohutul hulgal energiat, mis võib olla võrdväärne tuhandete või isegi miljoneid aatomipomme. See sündmus meenutab mõneti musta augu plahvatust, nagu seesama pomm. Arvutuste kohaselt võisid ürgsed mustad augud sündida Suure Paugu tagajärjel ja need, mille mass on suurusjärgus 10 12 kg, peaksid umbes meie ajal aurustuma ja plahvatama. Olgu kuidas on, selliseid plahvatusi pole astronoomid kunagi näinud.

Hoolimata Hawkingi pakutud mehhanismist mustade aukude hävitamiseks, põhjustavad Hawkingi kiirguse omadused kvantmehaanika raames paradoksi. Kui must auk neelab mõne keha ja seejärel kaotab selle keha neeldumisel tekkiva massi, siis olenemata keha olemusest ei erine must auk sellest, mis ta oli enne keha neeldumist. Sel juhul kaob teave keha kohta igaveseks. Teoreetiliste arvutuste seisukohalt ei vasta algse puhta oleku muundumine tekkivasse segaolekusse (“termiliseks”) praegusele kvantmehaanika teooriale. Seda paradoksi nimetatakse mõnikord teabe kadumiseks mustas augus. Sellele paradoksile pole kunagi leitud tõelist lahendust. Tuntud võimalused paradoksi lahendamiseks:

Hawkingi teooria vastuolu. See toob kaasa musta augu hävitamise võimatuse ja selle pideva kasvu.
Valgete aukude olemasolu. Sel juhul neelduv informatsioon ei kao, vaid visatakse lihtsalt teise Universumi välja.
Üldtunnustatud kvantmehaanika teooria ebaühtlus.

Musta augu füüsika lahendamata probleem

Otsustades kõige varem kirjeldatu järgi, on mustadel aukudel, kuigi neid on uuritud suhteliselt pikka aega, siiski palju tunnuseid, mille tekkemehhanisme teadlased siiani ei tea.

1970. aastal sõnastas üks inglise teadlane nn. "kosmilise tsensuuri põhimõte" - "Loodus jälestab paljast singulaarsust." See tähendab, et singulaarsus tekib ainult vaate eest varjatud kohtades, näiteks musta augu keskpunktis. Seda põhimõtet pole aga veel tõestatud. Samuti on olemas teoreetilised arvutused, mille järgi võib tekkida "alasti" singulaarsus.
Tõestust pole leidnud ka “no-hair teoreem”, mille kohaselt mustadel aukudel on vaid kolm parameetrit.
Musta augu magnetosfääri täielikku teooriat pole välja töötatud.
Gravitatsioonilise singulaarsuse olemust ja füüsikat ei ole uuritud.
Pole täpselt teada, mis juhtub musta augu eksisteerimise viimases staadiumis ja mis jääb alles pärast selle kvantlagunemist.

Huvitavad faktid mustade aukude kohta

Ülaltoodut kokku võttes võime esile tuua mustade aukude olemuse mitmeid huvitavaid ja ebatavalisi omadusi:

Mustadel aukudel on ainult kolm parameetrit: mass, elektrilaeng ja nurkimment. Selle keha nii väikese arvu omaduste tõttu nimetatakse seda väitvat teoreemi "juusteta teoreemiks". Siit tuli ka väljend “mustal augul pole juukseid”, mis tähendab, et kaks musta auku on absoluutselt identsed, nende kolm mainitud parameetrit on samad.
Mustade aukude tihedus võib olla väiksem kui õhu tihedus ja temperatuur on absoluutse nulli lähedal. Sellest lähtuvalt võime eeldada, et musta augu teke ei toimu mitte aine kokkusurumise, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse.
Mustade aukude neeldunud kehade aeg läheb palju aeglasemalt kui välisvaatlejal. Lisaks on neeldunud kehad musta augu sees märkimisväärselt venitatud, mida teadlased on nimetanud spagetatsiooniks.
Meie galaktikas võib olla umbes miljon musta auku.
Tõenäoliselt on iga galaktika keskmes ülimassiivne must auk.
Tulevikus jõuab Universum teoreetilise mudeli järgi nn mustade aukude ajastusse, mil mustadest aukudest saavad Universumis domineerivad kehad.

10. aprillil avaldas Event Horizon Telescope projekti astrofüüsikute meeskond kõigi aegade esimese pildi mustast august. Need hiiglaslikud, kuid nähtamatud kosmoseobjektid on endiselt meie universumi kõige salapärasemad ja intrigeerivamad.

Loe altpoolt

Mis on must auk?

Must auk on objekt (regioon aegruumis), mille gravitatsioon on nii tugev, et tõmbab ligi kõiki teadaolevaid objekte, ka neid, mis liiguvad valguse kiirusel. Ka valguskvant ise ei saa sellest piirkonnast lahkuda, seega on must auk nähtamatu. Saate jälgida ainult musta auku ümbritseva ruumi elektromagnetlaineid, kiirgust ja moonutusi. Avaldatud Event Horizon Telescope'i poolt on kujutatud musta augu sündmuste horisont - ülitugeva gravitatsiooniga piirkonna piir, mida raamib akretsiooniketas - helendav aine, mida auk "imeb".

Mõiste "must auk" ilmus 20. sajandi keskel, selle võttis kasutusele Ameerika teoreetiline füüsik John Archibald Wheeler. Esimest korda kasutas ta seda terminit ühel teaduskonverentsil 1967. aastal.

Eeldused nii massiivsete objektide olemasolu kohta, et isegi valgus ei suuda nende külgetõmbejõudu ületada, esitati aga juba 18. sajandil. Kaasaegne mustade aukude teooria hakkas kujunema üldise relatiivsusteooria raames. Huvitaval kombel ei uskunud Albert Einstein ise mustade aukude olemasolu.

Kust mustad augud tulevad?

Teadlased usuvad, et mustad augud on erineva päritoluga. Massiivsed tähed muutuvad oma eluea lõpus mustaks auguks: miljardite aastate jooksul muutub neis olevate gaaside koostis ja temperatuur, mis toob kaasa tasakaalustamatuse tähe gravitatsiooni ja kuumade gaaside rõhu vahel. Siis variseb täht kokku: selle maht väheneb, kuid kuna mass ei muutu, siis tihedus suureneb. Tüüpilise tähemassiga musta augu raadius on 30 kilomeetrit ja tihedus üle 200 miljoni tonni kuupsentimeetri kohta. Võrdluseks: selleks, et Maa muutuks mustaks auguks, peab selle raadius olema 9 millimeetrit.

On ka teist tüüpi mustad augud – ülimassiivsed mustad augud, mis moodustavad enamiku galaktikate tuuma. Nende mass on miljard korda suurem kui tähtede mustade aukude mass. Supermassiivsete mustade aukude päritolu pole teada, kuid oletatakse, et need olid kunagi tähemassilised mustad augud, mis kasvasid endasse teisi tähti endasse neeldes.

Samuti on vastuoluline idee ürgsete mustade aukude olemasolust, mis võisid tekkida mis tahes massi kokkusurumisel universumi eksisteerimise alguses. Lisaks on oletatud, et suures hadronite põrgatis tekivad väga väikesed mustad augud, mille mass on lähedane elementaarosakeste massile. Selle versiooni kohta pole aga veel kinnitust.

Kas must auk neelab meie galaktika?

Linnutee galaktika keskmes on must auk – Sagittarius A*. Selle mass on neli miljonit korda suurem kui Päikese mass ja selle suurus - 25 miljonit kilomeetrit - on ligikaudu võrdne 18 päikese läbimõõduga. Sellised mastaabid panevad mõned mõtlema: kas must auk ohustab kogu meie galaktikat? Selliste oletuste põhjused ei ole ainult ulme: mõned aastad tagasi andsid teadlased teada galaktikast W2246-0526, mis asub meie planeedist 12,5 miljardi valgusaasta kaugusel. W2246-0526 keskel asuva astronoomide kirjelduse kohaselt rebib ülimassiivne must auk seda järk-järgult laiali ning sellest protsessist tekkiv kiirgus kiirendab hiiglaslikke kuumaid gaasipilvi igas suunas. Mustast august räsitud galaktika helendab eredamalt kui 300 triljonit päikest.

Midagi sellist ei ohusta aga meie kodugalaktikat (vähemalt lühiajaliselt). Enamik Linnutee objekte, sealhulgas päikesesüsteem, on mustast august liiga kaugel, et tunda selle tõmmet. Lisaks ei tõmba "meie" must auk kogu materjali endasse nagu tolmuimeja, vaid toimib ainult gravitatsiooniankruna selle ümber orbiidil olevate tähtede rühma jaoks – nagu Päike planeetide puhul.

Kuid isegi kui jõuame kunagi musta augu sündmuste horisondist kaugemale, ei pane me seda tõenäoliselt isegi tähele.

Mis juhtub, kui "kukud" musta auku?

Musta augu poolt tõmmatud objekt ei saa suure tõenäosusega sealt tagasi tulla. Musta augu gravitatsiooni ületamiseks on vaja arendada valguse kiirusest suuremat kiirust, kuid inimkond ei tea veel, kuidas seda teha.

Musta augu ümbritsev gravitatsiooniväli on väga tugev ja ebaühtlane, mistõttu kõik selle lähedal olevad objektid muudavad kuju ja struktuuri. Objekti külg, mis on sündmuste horisondile lähemal, tõmbab endasse suurema jõuga ja langeb suurema kiirendusega, mistõttu kogu objekt venib, muutudes pastalaadseks. Seda nähtust kirjeldas oma raamatus A Brief History of Time kuulus teoreetiline füüsik Stephen Hawking. Juba enne Hawkingit nimetasid astrofüüsikud seda nähtust spagetatsiooniks.

Kui kirjeldate spagettimist astronaudi vaatenurgast, kes lendas kõigepealt musta augu jalgade juurde, siis pingutab gravitatsiooniväli tema jalgu ning seejärel venitab ja rebib keha, muutes selle subatomaarsete osakeste vooluks.

Väljastpoolt on musta auku kukkumist võimatu näha, kuna see neelab valgust. Välisvaatleja näeb ainult seda, et mustale augule lähenev objekt aeglustab järk-järgult ja peatub siis täielikult. Pärast seda muutub objekti siluett üha hägusemaks, muutub punaseks ja lõpuks kaob lihtsalt igaveseks.

Stephen Hawkingi sõnul jäävad kõik musta augu poolt ligitõmbavad objektid sündmuste horisonti. Relatiivsusteooriast järeldub, et musta augu lähedal aeglustub aeg kuni peatumiseni, nii et kukkuja jaoks ei pruugi musta auku kukkumist kunagi juhtuda.

Mis seal sees on?

Arusaadavatel põhjustel pole sellele küsimusele praegu usaldusväärset vastust. Teadlased nõustuvad aga, et meile tuttavad füüsikaseadused musta augu sees enam ei kehti. Ühe põnevama ja eksootilisema hüpoteesi järgi on ruumi-aja kontiinum musta augu ümber niivõrd moonutatud, et reaalsuses endas tekib auk, mis võib olla portaal teise universumisse – ehk nn ussiauk.

Mustad augud: universumi kõige salapärasemad objektid