Buchi neri. Riesci a vedere un buco nero?

Si ci sono. Buco neroè chiamata una regione dello spazio-tempo in cui il campo gravitazionale è così forte che nemmeno la luce può lasciare questa regione. Ciò accade se la dimensione del corpo è inferiore al suo raggio gravitazionale rg.

Cos'è?

I buchi neri devono nascere da un forte compressione di massa, mentre il campo gravitazionale aumenta così fortemente da non emettere luce o altra radiazione. Per vincere la gravità e fuggire dal buco nero, ci vorrebbe seconda velocità spaziale- più luce. Ma, secondo la teoria della relatività, nessun corpo può sviluppare una velocità maggiore di quella della luce. Pertanto, nulla può volare fuori da un buco nero. Le informazioni non possono venire neanche da lì. È impossibile sapere cosa sia successo a colui che è caduto nel buco nero. Già vicino ai fori, le proprietà dello spazio e del tempo cambiano drasticamente.

La possibilità teorica dell'esistenza di tali regioni dello spazio-tempo deriva da alcune soluzioni esatte delle equazioni di Einstein. In poche parole, Einstein predisse proprietà sorprendenti dei buchi neri, di cui il più importante è la presenza di un orizzonte degli eventi al buco nero. Secondo gli ultimi dati osservativi, i buchi neri esistono e hanno proprietà sorprendenti. L'esistenza dei buchi neri deriva dalla teoria della gravità: se questa teoria è corretta, allora l'esistenza dei buchi neri è vera. Pertanto, le affermazioni sulla prova diretta dell'esistenza dei buchi neri dovrebbero essere intese nel senso di confermare l'esistenza di oggetti astronomici, così densi e massicci, e che possiedono anche alcune altre proprietà osservabili da poter essere interpretati come buchi neri della relatività generale. Inoltre, i buchi neri sono spesso chiamati oggetti che non corrispondono strettamente alla definizione di cui sopra, ma solo quelli che si avvicinano nelle loro proprietà a un tale buco nero - ad esempio, possono essere stelle che collassano nelle ultime fasi del collasso.

Buco nero non rotante

Per un buco nero non rotante, il raggio dell'orizzonte degli eventi è lo stesso del raggio gravitazionale. All'orizzonte degli eventi per un osservatore esterno, il passare del tempo si ferma. Un veicolo spaziale inviato in un buco nero, dal punto di vista di un osservatore distante, non attraverserà mai l'orizzonte degli eventi, ma rallenterà continuamente mentre si avvicina ad esso. Tutto ciò che accade sotto l'orizzonte degli eventi, all'interno del buco nero, non può essere visto da un osservatore esterno. Un astronauta nella sua navicella spaziale è, in linea di principio, in grado di penetrare l'orizzonte degli eventi, ma non sarà in grado di trasmettere alcuna informazione a un osservatore esterno. Allo stesso tempo, è probabile che un astronauta, cadendo liberamente sotto l'orizzonte degli eventi, veda un altro universo e persino il proprio futuro. Ciò è dovuto al fatto che all'interno del buco nero le coordinate spaziali e temporali cambiano di posto, e il viaggio nello spazio è qui sostituito dal viaggio nel tempo.

Buco nero rotante

Le sue proprietà sono ancora più sorprendenti. Il loro orizzonte degli eventi ha un raggio più piccolo, è immerso nell'ergosfera - una regione dello spazio-tempo in cui i corpi devono muoversi continuamente, captati dal campo gravitazionale a vortice di un buco nero rotante.
Queste proprietà insolite dei buchi neri sembrano semplicemente fantastiche, quindi la loro esistenza in natura è spesso messa in discussione.

Un buco nero in un sistema stellare binario

In questo caso, gli effetti più pronunciati del buco nero, perché in un sistema binario, una stella è una gigante brillante e l'altra è un buco nero. Il gas dal guscio della stella gigante fluisce verso il buco nero, turbina intorno ad esso, formando un disco. Strati di gas nel disco in orbite a spirale si avvicinano al buco nero e cadono in esso. Ma prima di cadere ai margini del buco nero, il gas si riscalda a causa dell'attrito a un'enorme temperatura di milioni di gradi ed emette nella gamma di raggi X. Da questa emissione di raggi X, i buchi neri si trovano nei sistemi stellari binari.

Conclusione

Si pensa che enormi buchi neri sorgano al centro di ammassi stellari compatti. Forse la sorgente di raggi X nella costellazione del Cigno, Cygnus-X-1, è un tale buco nero.

Gli astronomi non escludono che in passato potessero sorgere buchi neri all'inizio dell'espansione dell'Universo, quindi è possibile la formazione di buchi neri molto piccoli.

I valori delle masse di un gran numero di stelle di neutroni e buchi neri confermano la validità delle previsioni della teoria della relatività di A. Einstein. Negli ultimi anni, il problema dell'ipotesi del buco nero nell'Universo è diventato una realtà osservativa. Ciò significa una fase qualitativamente nuova nello studio dei buchi neri e delle loro straordinarie proprietà, c'è speranza per nuove scoperte in questo settore.

2007-09-12 / Vladimir Pokrovsky

I buchi neri muoiono prima ancora di nascere. Almeno questo è quello che dicono i fisici teorici americani della Case Western Reserve University in Ohio. Hanno inventato formule matematiche che implicano che i buchi neri semplicemente non possono formarsi. Se queste formule sono corrette, allora forse la costruzione cosmologica più importante del XX secolo crolla.

Cos'è un buco nero? Lo sappiamo tutti, questo ci è stato segnalato molte volte. Questo è un corpo così supermassiccio, la cui gravità è semplicemente terribile. Non appena qualcosa si avvicina a una distanza dal centro, chiamata orizzonte degli eventi, allora tutto non è mai nulla, sia esso un corpo materiale, sia solo un quanto di radiazione elettromagnetica - un fotone, che è anche un corpo materiale, ma allo stesso tempo un'onda elettromagnetica, non può sfuggire indietro. Quindi, non conoscendo ancora i fotoni, il grande Laplace una volta definì un buco nero, poi nel 1916 fu predetto dal fisico tedesco Schwarzschild, sebbene il termine "buco nero" fu proposto solo nel 1967.

Bene, non si sa mai, un corpo supermassiccio che risucchia tutto ciò che è inavvertitamente vicino: cosa c'è di così speciale nel nostro spazio, che supera ogni immaginazione? C'è qualcosa di speciale: è stato introdotto da Einstein, tuttavia, non da lui stesso, ma con l'aiuto della sua teoria della relatività. Secondo questa teoria, tutto ciò che cade in un buco nero cade in un punto matematico. Il buco è completamente vuoto, tranne che nel punto esatto. E a quel punto si osserva una cosa del tutto impossibile, la cosiddetta singolarità: divisione per zero, densità infinita, e da qui seguono le conseguenze più fantastiche. Ad esempio, la penetrazione in un universo parallelo o il movimento istantaneo in un altro punto del nostro spazio.

Ma è in qualche modo insolito per il nostro mondo dal punto di vista della fisica avere una divisione per zero, mi ha sempre in qualche modo confuso. Come può essere solo in matematica, ma in realtà - mai.

Nel 1976, il famoso fisico teorico britannico Stephen Hawking scoprì l'effetto quantistico, grazie al quale un buco nero, cioè un corpo la cui gravità, per definizione, non può rilasciare luce all'esterno, la emette ancora. Ha mostrato che se c'è una coppia "particella-antiparticella", collegata tra loro in modo quantistico, e una di queste particelle cade in un buco, allora il resto libero può tirarlo fuori da lì. Ora i teorici di Cleveland sembrano aver dimostrato che l'evaporazione risultante di un buco nero è così intensa che evaporerà senza nemmeno avere il tempo di formarsi.

Come lo hanno fatto e quanto hanno ragione nelle loro conclusioni, non indoviniamo, lasciamo giudicare ai loro colleghi. Ma in realtà, i dubbi sull'esistenza dei buchi neri sono stati espressi per molto tempo e di tanto in tanto compaiono pubblicazioni, i cui autori dimostrano che non esistono buchi neri. Nonostante ne siano già state aperte diverse centinaia. "Ma questi non sono buchi neri", dicono i teorici di Cleveland. "Sono solo oggetti spaziali supermassicci".

Membro corrispondente dell'Accademia Russa delle Scienze Anatoly Cherepashchuk, Direttore dell'Istituto Astronomico Statale intitolato a Università statale di Mosca Sternberg MV Lomonosov, sono cauto su questo nei commenti.

"In effetti", ha detto in un'intervista con un corrispondente di NG, "c'è una certa confusione terminologica qui. Vediamo oggetti nel cielo che si comportano esattamente come dovrebbero comportarsi i buchi neri, e crediamo che siano buchi neri, e li chiamiamo così, ma resta da dimostrare che questi sono oggetti che non hanno superficie. Ma ci sono molte indicazioni indirette che semplicemente non hanno una superficie".

Cherepashchuk non vede nulla di nuovo nel fatto che i buchi neri evaporano: “Evaporano tutti. Se la massa di un buco nero non supera la massa di una montagna media, come, ad esempio, le colline di Lenin a Mosca, cioè 1015 grammi, allora evaporerà davvero in un attimo, per esplosione; mentre i buchi con una massa di diversi Soli impiegheranno migliaia di tempi cosmologici per evaporare completamente. Esistono però teorie esotiche che tengono conto del fatto che il nostro spazio non ha 4 dimensioni, ma 11, e secondo queste ulteriori dimensioni anche il buco nero evapora. E, quindi, il processo di evaporazione è molto più veloce che nell'ordinario spazio quadridimensionale. In un certo senso, il lavoro di cui parli è come una logica continuazione di queste teorie. Ma, ripeto, ci sono molte prove indirette che i buchi neri esistono”.

I buchi neri sono aree di materia densa nello spazio che hanno un'attrazione così forte che nessun oggetto catturato nel campo gravitazionale di un buco nero può lasciarlo. Anche la luce che passa è attratta dai buchi neri. Ciò che la scienza pensa dell'esistenza dei buchi neri sarà discusso nel nostro articolo.

I buchi neri sono aree di materia densa nello spazio che hanno un'attrazione così forte che nessun oggetto catturato nel campo gravitazionale di un buco nero può lasciarlo. Anche la luce che passa è attratta dai buchi neri. Ciò che la scienza pensa dell'esistenza dei buchi neri sarà discusso nel nostro articolo.

I confini dei buchi neri sono chiamati "orizzonte degli eventi" e la sua grandezza è chiamata "raggio gravitazionale".

I buchi neri, come molti altri fenomeni fisici, furono inizialmente scoperti solo in teoria. La possibilità della loro esistenza deriva da alcune equazioni di Einstein, esse convergono con la teoria della gravità (ma non si sa quanto sia corretta), che, sempre teoricamente, conferma la loro esistenza.

Nel nostro tempo, la possibilità della formazione di buchi neri è confermata dalla teoria della relatività generale (GTR) verificata sperimentalmente. Appaiono regolarmente nuovi dati, che vengono analizzati e interpretati nell'ambito della suddetta teoria, che conferma l'esistenza di alcuni oggetti astronomici che coincidono parzialmente con i segni di buchi neri con una massa di 105-1010 masse solari. Pertanto, è impossibile prepararsi all'esistenza al cento per cento dei buchi neri.

Oggi ci sono 2 opzioni realistiche e 2 ipotetiche per creare buchi neri: la compressione catastroficamente rapida di una stella massiccia o del centro di una parte della galassia; e, di conseguenza, la creazione di buchi neri come conseguenza del Big Bang e l'emergere di alte energie nelle reazioni nucleari.

Ci sono oggetti che vengono chiamati buchi neri semplicemente per la corrispondenza di alcune loro proprietà con i buchi neri, ad esempio le stelle, che sono nelle fasi finali del collasso gravitazionale. L'astrofisica moderna non attribuisce molta importanza a questa differenza, poiché le manifestazioni osservate di una stella "quasi collassata" e teoricamente di un buco nero "reale" sono praticamente identiche.

I buchi neri non sono permanenti. A prima vista, sembra che questi oggetti attirino solo tutto ciò che li circonda, ma secondo la teoria quantistica della gravitazione, un buco nero, assorbendo, deve irradiare continuamente, perdendo la sua energia. Maggiore è la "massa di energia" persa, maggiore è la temperatura e la velocità della radiazione, che alla fine porta a un'esplosione. Non si sa cosa resti o meno del buco nero, ma la risposta a questa domanda sarà data dalla teoria quantistica della gravità, su cui lavoreranno sodo nei prossimi due decenni.

Tre teorie sull'esistenza dei buchi neri

Ci sono tre teorie interessanti sull'esistenza dei buchi neri:

C'è un numero finito di buchi neri nell'Universo, sono in ogni galassia, quindi, possono essere un modo per muoversi nello spazio, una sorta di teletrasporto - è entrato in questo buco nero, ne ha lasciato un altro. Inoltre, puoi "regolare" non solo il luogo in cui arrivi, ma anche il tempo.

Secondo la teoria della pluralità dei mondi di Hugh Everett, il numero degli universi è infinito. Grazie a ciò, è apparsa l'ipotesi che i buchi neri siano un passaggio verso un altro universo. Le leggi fisiche in tutti gli universi possono differire, ma solo i punti di controllo - i buchi neri - sono incrollabili, sebbene non eterni.

I buchi neri assorbono tutto nel campo gravitazionale. Se una persona cade su un buco nero - un osservatore interno e qualcuno lo guarda - un osservatore esterno, allora in teoria può accadere la seguente situazione: una persona che cade su un buco nero vedrà come il tempo rallenta per lui e si ferma per l'eternità e il tempo "ambientale", secondo la teoria del matematico e fisico teorico inglese Penrose, il tempo dello sviluppo dell'Universo sta aumentando a un ritmo tale che lui, l'osservatore interiore, riesce a vedere il crollo del nostro spazio , e tutte le realtà esistenti, e tutti gli oggetti che una volta sono stati catturati in un buco nero. Dal punto di vista di un osservatore esterno, quello interno volerà fino al buco nero e si fermerà, come in attesa di qualcosa. L'universo, secondo la teoria, non consente l'esistenza di osservatori interni ed esterni contemporaneamente. Dopo un minuto di tempo soggettivo, una persona che è saltata su un buco nero, ma dopo miliardi di anni dal punto di vista di un osservatore esterno, la persona che cade sarà sorpresa di vedere come i suoi amici "esterni" molto anziani iniziano a cadere nel suo buco, e il suo buco nero "nativo" inizierà a fondersi con tutti gli altri buchi neri ... Di conseguenza, tutti gli osservatori esterni diventeranno contemporaneamente interni, e ora stanno volando tutti insieme verso il Collasso dell'Universo.

Tenendo conto dei fatti sopra dell'esistenza dei buchi neri, c'è chi li confuta. La professoressa di fisica Laura Marsini-Houghton della Carolina del Nord sostiene che i buchi neri semplicemente non possono esistere. Lo sostiene per il fatto che non ci sono prove dirette della loro esistenza e le prove indirette potrebbero essere errate. Tuttavia, finora questa è solo una teoria.

In questa fase di sviluppo, la scienza non è in grado né di confermare né di negare l'esistenza dei buchi neri. Resta da attendere nuove osservazioni, la loro analisi e alcune successive risposte a queste domande.

Il telescopio spaziale Hubble, forse per la prima volta, ha fornito prove evidenti dell'esistenza dei buchi neri. Ha osservato la scomparsa della materia che cade nella zona d'azione di un buco nero, oltre il cosiddetto "orizzonte degli eventi".

I deboli impulsi di luce osservati di flussi di gas caldi nello spettro ultravioletto sono stati scoloriti e poi sono scomparsi, formando un vortice attorno a un oggetto massiccio e compatto chiamato Cygnus XR-1. Questo meccanismo di caduta, simile, ad esempio, alla caduta dell'acqua sul bordo di una cascata, corrisponde a una chiara analogia con i calcoli teorici della caduta della materia in un buco nero.

L'orizzonte degli eventi è una regione di spazio che circonda un buco nero, una volta in cui la materia non sarà mai in grado di lasciare questa regione e cadere nel buco nero. La luce può ancora vincere l'enorme forza di gravità e inviare gli ultimi flussi dalla materia in via di estinzione, ma solo per un breve periodo di tempo, finché la materia in caduta non cade nella cosiddetta zona di singolarità, oltre la quale nemmeno la luce può più andare.

Secondo teorie ben note, nessun altro oggetto astronomico diverso da un buco nero può avere una zona di orizzonte degli eventi.

I buchi neri sono stati identificati osservando i modelli di aspirazione (overflow) delle masse di gas stellari al loro interno. Stimando quanta massa entra in una piccola regione di spazio, puoi determinare quanto spazio occupa un buco nero e la sua massa.

Fino ad ora, nessuno ha mai visto la materia che è già caduta nella zona dell'orizzonte degli eventi, cadere in un buco nero. Di solito, è stata osservata l'immagine di un semplice trabocco di materia da una stella adiacente a un buco nero. Allo stesso tempo, il buco nero era completamente avvolto in modo sferico da una massa di gas fluente e in apparenza assomigliava a una piccola stella, ma emetteva luce in uno spettro vicino all'ultravioletto o ai neutroni.

Questo segreto è stato nascosto al pubblico per molto tempo. Gli scienziati hanno analizzato e verificato meticolosamente questi dati.

Lo stesso Hubble, ovviamente, non ha visto la zona dell'orizzonte degli eventi: questa è un'area di spazio troppo piccola a una distanza così grande per essere stimata. Hubble ha misurato le fluttuazioni caotiche nella luce ultravioletta del gas bollente intrappolato nella zona gravitazionale di un buco nero. Hubble ha colto i momenti unici di un "treno di impulsi in dissolvenza" che è diminuito molto rapidamente.

Questo meccanismo è coerente con la teoria generalmente accettata prevista dagli scienziati: quando la materia cade vicino all'orizzonte degli eventi, la luce da esso si attenua rapidamente, perché più vicino al centro del buco nero, più forte è la forza gravitazionale e più lunghe sono le onde diventano, passando gradualmente dallo spettro ultravioletto al neutrone, per poi scomparire del tutto. Questo effetto è chiamato "redshift".

Il frammento osservato del materiale in caduta è scomparso dal campo visivo del telescopio Hubble prima che raggiungesse effettivamente l'orizzonte degli eventi. Il fotometro Hubble ad alta velocità ha campionato gli impulsi luminosi a una velocità di 100.000 misurazioni al secondo. La risoluzione ultravioletta di Hubble ha permesso di vedere un debole sfarfallio del materiale in caduta entro 1000 miglia dall'orizzonte degli eventi.

I modelli dinamici hanno precedentemente previsto che Cygnus XR-1 "s appartiene a un buco nero. Il gas non può cadere direttamente in esso, come in un fossato, ma forma un vortice sotto forma di un disco a spirale liscia.

Si ci sono. Buco neroè chiamata una regione dello spazio-tempo in cui il campo gravitazionale è così forte che nemmeno la luce può lasciare questa regione. Ciò accade se la dimensione del corpo è inferiore al suo raggio gravitazionale rg.

Cos'è?

I buchi neri devono nascere da un forte compressione di massa, mentre il campo gravitazionale aumenta così fortemente da non emettere luce o altra radiazione. Per vincere la gravità e fuggire dal buco nero, ci vorrebbe seconda velocità spaziale- più luce. Ma, secondo la teoria della relatività, nessun corpo può sviluppare una velocità maggiore di quella della luce. Pertanto, nulla può volare fuori da un buco nero. Le informazioni non possono venire neanche da lì. È impossibile sapere cosa sia successo a colui che è caduto nel buco nero. Già vicino ai fori, le proprietà dello spazio e del tempo cambiano drasticamente.

La possibilità teorica dell'esistenza di tali regioni dello spazio-tempo deriva da alcune soluzioni esatte delle equazioni di Einstein. In poche parole, Einstein predisse proprietà sorprendenti dei buchi neri, di cui il più importante è la presenza di un orizzonte degli eventi al buco nero. Secondo gli ultimi dati osservativi, i buchi neri esistono e hanno proprietà sorprendenti. L'esistenza dei buchi neri deriva dalla teoria della gravità: se questa teoria è corretta, allora l'esistenza dei buchi neri è vera. Pertanto, le affermazioni sulla prova diretta dell'esistenza dei buchi neri dovrebbero essere intese nel senso di confermare l'esistenza di oggetti astronomici, così densi e massicci, e che possiedono anche alcune altre proprietà osservabili da poter essere interpretati come buchi neri della relatività generale. Inoltre, i buchi neri sono spesso chiamati oggetti che non corrispondono strettamente alla definizione di cui sopra, ma solo quelli che si avvicinano nelle loro proprietà a un tale buco nero - ad esempio, possono essere stelle che collassano nelle ultime fasi del collasso.

Buco nero non rotante

Per un buco nero non rotante, il raggio dell'orizzonte degli eventi è lo stesso del raggio gravitazionale. All'orizzonte degli eventi per un osservatore esterno, il passare del tempo si ferma. Un veicolo spaziale inviato in un buco nero, dal punto di vista di un osservatore distante, non attraverserà mai l'orizzonte degli eventi, ma rallenterà continuamente mentre si avvicina ad esso. Tutto ciò che accade sotto l'orizzonte degli eventi, all'interno del buco nero, non può essere visto da un osservatore esterno. Un astronauta nella sua navicella spaziale è, in linea di principio, in grado di penetrare l'orizzonte degli eventi, ma non sarà in grado di trasmettere alcuna informazione a un osservatore esterno. Allo stesso tempo, è probabile che un astronauta, cadendo liberamente sotto l'orizzonte degli eventi, veda un altro universo e persino il proprio futuro. Ciò è dovuto al fatto che all'interno del buco nero le coordinate spaziali e temporali cambiano di posto, e il viaggio nello spazio è qui sostituito dal viaggio nel tempo.

Buco nero rotante

Le sue proprietà sono ancora più sorprendenti. Il loro orizzonte degli eventi ha un raggio più piccolo, è immerso nell'ergosfera - una regione dello spazio-tempo in cui i corpi devono muoversi continuamente, captati dal campo gravitazionale a vortice di un buco nero rotante.
Queste proprietà insolite dei buchi neri sembrano semplicemente fantastiche, quindi la loro esistenza in natura è spesso messa in discussione.

Un buco nero in un sistema stellare binario

In questo caso, gli effetti più pronunciati del buco nero, perché in un sistema binario, una stella è una gigante brillante e l'altra è un buco nero. Il gas dal guscio della stella gigante fluisce verso il buco nero, turbina intorno ad esso, formando un disco. Strati di gas nel disco in orbite a spirale si avvicinano al buco nero e cadono in esso. Ma prima di cadere ai margini del buco nero, il gas si riscalda a causa dell'attrito a un'enorme temperatura di milioni di gradi ed emette nella gamma di raggi X. Da questa emissione di raggi X, i buchi neri si trovano nei sistemi stellari binari.

Conclusione

Si pensa che enormi buchi neri sorgano al centro di ammassi stellari compatti. Forse la sorgente di raggi X nella costellazione del Cigno, Cygnus-X-1, è un tale buco nero.

Gli astronomi non escludono che in passato potessero sorgere buchi neri all'inizio dell'espansione dell'Universo, quindi è possibile la formazione di buchi neri molto piccoli.

I valori delle masse di un gran numero di stelle di neutroni e buchi neri confermano la validità delle previsioni della teoria della relatività di A. Einstein. Negli ultimi anni, il problema dell'ipotesi del buco nero nell'Universo è diventato una realtà osservativa. Ciò significa una fase qualitativamente nuova nello studio dei buchi neri e delle loro straordinarie proprietà, c'è speranza per nuove scoperte in questo settore.