Mustad augud on võib-olla kõige salapärasemad objektid universumis. Kui muidugi pole asju peidetud kuhugi sügavikku, mille olemasolu me ei tea ega saa teada, mis on ebatõenäoline. Mustad augud on tohutu massi ja tihedusega, kokku surutud väikese raadiusega ühte punkti. Nende objektide füüsikalised omadused on nii kummalised, et need tekitavad keerukamaid füüsikuid ja astrofüüsikuid. Teoreetiline füüsik Sabine Hossfender koostas valiku kümnest mustade aukude kohta käivast faktist, mida kõik peaksid teadma.
Mis on must auk?
Musta augu määravaks omaduseks on selle silmapiir. See on piir, millest kaugemale ei saa enam midagi, isegi valgus, tagasi tulla. Kui eraldatud ala jääb igaveseks lahti, räägime "sündmuste horisondist". Kui see on ainult ajutiselt eraldatud, räägime "nähtavast silmapiirist". Kuid see "ajutine" võib tähendada ka seda, et piirkond eraldub universumi praegusest ajastust kauem. Kui musta augu silmapiir on ajutine, kuid pikaealine, on esimese ja teise vahe hägune.
Kui suured on mustad augud?
Võite kujutleda musta augu horisondi kerana ja selle läbimõõt on otseselt proportsionaalne musta augu massiga. Seega, mida rohkem massi musta auku langeb, seda suuremaks must auk muutub. Täheobjektidega võrreldes on mustad augud siiski väikesed, kuna mass surutakse vastupandamatu gravitatsioonirõhu mõjul kokku väga väikesteks mahtudeks. Näiteks planeedi Maa massiga musta augu raadius on vaid mõni millimeeter. See on 10 000 000 000 korda väiksem kui Maa praegune raadius.
Reklaamvideo:
Musta augu raadiust nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks Karl Schwarzschildi järgi, kes tuletas kõigepealt mustad augud Einsteini üldise relatiivsusteooria lahendusena.
Mis silmapiiril toimub?
Silmaringi ületades ei juhtu teie ümber midagi erilist. Kõik Einsteini samaväärsusprintsiibi tõttu, millest järeldub, et te ei leia erinevust tasases ruumis toimuva kiirenduse ja ruumi kõverust loova gravitatsioonivälja vahel. Kuid mustast august kaugel asuv vaatleja, kes jälgib kedagi teist sellesse kukkumist, märkab, et inimene liigub silmapiirile lähenedes üha aeglasemalt. Aeg liigub justkui aeglasemalt sündmuste horisondi lähedal kui horisondist kaugemale. Mõni aeg aga möödub ja auku kukkuv vaatleja ületab sündmuse horisondi ning leiab end Schwarzschildi raadiusest.
See, mida silmapiiril kogete, sõltub gravitatsioonivälja loodete jõududest. Silmapiiril olevad loodete jõud on pöördvõrdelised musta augu massi ruuduga. See tähendab, et mida suurem ja massiivsem must auk, seda vähem jõudu. Ja kui ainult must auk on piisavalt massiivne, võite horisondi ületada, enne kui märkate, et midagi toimub. Nende mõõnajõudude mõju venitab teid: füüsikute kasutatav tehniline termin on selleks spagettimine.
Üldrelatiivsusteooria algusaegadel arvati, et silmapiiril on singulaarsus, kuid see ei osutunud nii.
Mis on musta augu sees?
Keegi ei tea täpselt, aga kindlasti ka mitte raamaturiiul. Üldrelatiivsusteooria ennustab, et mustas augus on singulaarsus, koht, kus loodete jõud muutuvad ääretult suureks, ja kui olete sündmuste horisondist möödunud, ei saa te minna kuhugi mujale kui ainsusesse. Vastavalt sellele on nendes kohtades parem mitte kasutada üldrelatiivsusteooriat - see lihtsalt ei toimi. Et öelda, mis toimub musta augu sees, vajame kvantgravitatsiooni teooriat. On üldtunnustatud, et see teooria asendab singulaarsuse millegi muuga.
Kuidas tekivad mustad augud?
Praegu teame nelja erinevat moodust, kuidas mustad augud tekivad. Parim arusaam on seotud tähe kokkuvarisemisega. Piisavalt suur täht moodustab pärast selle tuumasünteesi lõppemist musta augu, sest kõik, mida juba saaks sünteesida, on sünteesitud. Kui termotuumasünteesi tekitatud surve lakkab, hakkab aine langema oma gravitatsioonikeskuse suunas, muutudes üha tihedamaks. Lõpuks muutub see nii tihedaks, et miski ei suuda ületada tähe pinnal asuvat gravitatsiooniefekti: nii sünnib must auk. Neid musti auke nimetatakse "päikesemassi mustadeks aukudeks" ja need on kõige tavalisemad.
Järgmine levinud mustade aukude tüüp on "ülimassiivsed mustad augud", mida leidub paljude galaktikate keskpunktides ja mille mass on umbes miljard korda suurem kui päikese mustade aukude mass. Veel pole kindlalt teada, kuidas need täpselt moodustuvad. Arvatakse, et need said kunagi alguse päikesemassist mustadeks aukudeks, mis tiheda asustusega galaktikakeskustes palju teisi tähti neelasid ja kasvasid. Tundub, et nad omastavad ainet kiiremini, kui see lihtne idee soovitab, ja kuidas nad täpselt seda teevad, on ikkagi uurimise küsimus.
Vastuolulisem idee oli ürgsed mustad augud, mille oleks võinud moodustada varajase universumi peaaegu iga mass suurtes tiheduse kõikumistes. Kuigi see on võimalik, on keeruline neid mudeleid leida, ilma et neid üle luuakse.
Lõpuks on väga spekulatiivne idee, et Hadgsi bosoni massile lähedaste massidega pisikesed mustad augud võivad tekkida suure hadroni põrkekoha juures. See töötab ainult siis, kui meie universumil on lisamõõtmeid. Siiani pole selle teooria kasuks kinnitust saadud.
Kuidas me teame, et mustad augud on olemas?
Meil on palju vaatlusalaseid tõendeid kompaktsete suurte massidega objektide kohta, mis valgust ei eralda. Need objektid annavad end ära gravitatsioonilise atraktiivsuse tõttu, näiteks teiste tähtede või gaasipilvede liikumise tõttu nende ümber. Nad loovad ka gravitatsiooniläätsed. Me teame, et neil objektidel pole kindlat pinda. See järeldub vaatlustest, sest pinnaga objektile langev aine peaks põhjustama rohkem osakesi kui silmapiiri kaudu langevat ainet.
Miks ütles Hawking eelmisel aastal, et musti auke pole olemas?
Ta mõtles, et mustadel aukudel pole igavest sündmuste horisondi, vaid ainult ajutist näilist horisondi (vt esimene lõik). Ranges mõttes peetakse mustaks auguks ainult sündmuste horisondi.
Kuidas mustad augud kiirgavad?
Mustad augud kiirgavad kvantefektide mõjul kiirgust. Oluline on märkida, et need on aine kvantmõjud, mitte gravitatsiooni kvantmõjud. Variseva musta augu dünaamiline aegruum muudab osakese määratlust. Nagu aja möödumine, mis on musta augu kõrval moonutatud, on osakeste mõiste vaatlejast liiga sõltuv. Eriti kui mustasse auku kukkuv vaatleja arvab, et ta vaakumisse langeb, arvab mustast august kaugel asuv vaatleja, et see pole vaakum, vaid osakesi täis ruum. Selle efekti põhjustab aegruumi venitamine.
Esmalt avastas Stephen Hawking, musta augu kiiratud kiirgust nimetatakse Hawkingi kiirguseks. Selle kiirguse temperatuur on pöördvõrdeline musta augu massiga: mida väiksem on must auk, seda kõrgem on temperatuur. Täht- ja ülimasssiivsed mustad augud, mis meie teada on, on mikrolaineahju tausttemperatuurist tunduvalt madalamad ja seetõttu neid ei täheldata.
Mis on teabeparadoks?
Teabekaotuse paradoks on põhjustatud Hawkingi kiirgusest. See kiirgus on puhtalt termiline, see tähendab, et sellel on ainult kogemata temperatuur ja sellel on teatud omadused. Kiirgus ise ei sisalda teavet selle kohta, kuidas must auk tekkis. Kuid kui must auk kiirgab, kaotab see massi ja tõmbub kokku. Kõik see on täiesti sõltumatu ainest, mis sai musta augu osaks või millest see tekkis. Selgub, et teades ainult aurustumise lõplikku seisundit, ei saa öelda, millest must auk tekkis. See protsess on "pöördumatu" - ja konks on selles, et kvantmehaanikas sellist protsessi pole.
Selgub, et musta augu aurustamine ei sobi meile tuttava kvantteooriaga ja sellega tuleb midagi ette võtta. Likvideerige vastuolud kuidagi. Enamik füüsikuid usub, et lahendus on selles, et Hawkingi kiirgus peab kuidagi sisaldama teavet.
Mida soovitab Hawking musta augu teabe paradoksi lahendamiseks?
Idee on selles, et mustadel aukudel peab olema võimalus säilitada teavet, mida pole veel aktsepteeritud. Informatsioon salvestatakse musta augu silmapiiril ja see võib põhjustada väikseid osakeste nihkumisi Hawkingi kiirguses. Nendes väikestes nihketes võib olla teavet kinni jäänud aine kohta. Selle protsessi täpsed üksikasjad on praegu ebaselged. Teadlased ootavad Stephen Hawkingi, Malcolm Perry ja Andrew Stromingeri üksikasjalikumat tehnilist paberit. Nende sõnul ilmub see septembri lõpus.
Praegu oleme kindlad, et mustad augud on olemas, teame, kus nad on, kuidas nad moodustuvad ja milliseks nad lõpuks saavad. Kuid üksikasjad selle kohta, kuhu teave nendeni jõuab, esindavad endiselt universumi üht suurimat saladust.
Ilja Khel
