НАРОДНА АСТРОНОМИЧЕСКА ОБСЕРВАТОРИЯ
“Юрий Гагарин” - Стара Загора
КУРС ПО ОБЩА АСТРОНОМИЯ ЗА АСТРОНОМИ-ЛЮБИТЕЛИ
Надя Кискинова
ЧЕРНИ ДУПКИ
Предистория:
През 1783 г. преподавателят от Кеймбридж Джон Мичъл публикува в списанието на Лондонското кралско дружество “Философикъл Транзакшънс” /”Философски трудове”/ разсъжденията си върху това какво би станало със светлината в гравитационното поле на много масивна звезда. По това време било прието да се счита, че светлината представлява поток от частици. Тези частици както всичко останало би трябвало да изпитват гравитацията на изключително масивната звезда и те просто не биха могли да бъдет излъчени. Такава звезда би била невидима за външен наблюдател. Единствено огромната й гравитация би я издало.
Изкривяване и поглъщане на светлинните лъчи в близост до масивно тяло, което затваря около себе си пространство-времето.
Интересно, че 13 години по-късно френският учен маркиз Дьо Лаплас, очевидно независимо от Мичъл, изказва подобна идея и я публикува в първото и второ издание на труда си “Система на Света”, но не и в следващите издания. Вероятно е решил, че това е безумна идея, а и корпускулярната теория за светлината по негово време вече е била в немилост. Приемало се, че светлината е вълна и не било ясно дали електромагнитните вълни би трябвало да изпитват влиянието на гравитацията.
Всъщност едва Общата теория на относителността на Айнщайн през 1915 г. дава основата за изграждане на смислена теория на свръхмасивни тела, в каквито трябва да се превърнат след колапса си най-масивните звезди в крайните стадии на своята еволюция. Но реалното съществуване на такива обекти било отричано дори от авторите на теорията за звездната еволюция и самият Айнщайн.
 
Алберт Айнщайн
През 1928 г. един дипломирал се студент от Индия, Субраманян Чандрасекар, отплувал за Англия, за да учи в Кеймбридж при английския астроном сър Артър Едингтън – специалист по Обща теория на относителността.
Чандрасекар изчислил, че ако остатъкът след избухването на една звезда е с маса повече от 3 (2,4) пъти слънчевата – граница на Чандрасекар, не би могла да устои на по-нататъшния си колапс.
До подобен извод идва почти по същото време и руският учен Лев Ландау. Такъв обект не е нито бяло джудже, каквото вече се наблюдавало като спътник на най-ярката звезда Сириус, нито все още хипотетичните, но изведени от теорията неутронни звезди. Такива обекти би трябвало да колапсират до безкрайна плътност.
Някои светлинни лъчи /в черно на тази фигура/ от неутронна звезда все още успяват да убегнат отогромното й гравитационно привличане и да отнесат информация за обекта до външен наблюдател.
Но звезден остатък с маса отвъд предела на Чандрасекар не спира колапса си до неутронна звезда. Гравитацията на такъв обект е толкова силна, че дори фотоните не могат да излязат от затворилото се в себе си пространство-време. Той става невидим за външен наблюдател.
Мястото, откъдето светлинните лъчи от колапсирал звезден остатък могат да го напуснат е тясно конусовидно пространство в близост до оста на въртене.
Едингтън бил потресен от това следствие и отказал да повярва в резултата на Чандрасекар. Самият Айнщайн написал труд, в който твърдял, че звездите не могат да се свиват до нулев размер.
Авторитетите си казали думата и младият учен насочил усилията за по-нататъшни изследвания в друга насока.
Десетина години по-късно - през 1939 г. американският учен Робърт Опенхаймер решил уравненията на Общата теория на относителността в граничния случай на масивно колапсирало тяло, с което доказал отново съществуването им този път от тази гледна точка. Но работите на Опенхаймер върху атомната бомба засенчили успеха му в този аспект и години след Втората световна война общността на учените го игнорирала.
Тайно Опенхаймер възложил на своя сънародник Шварцшилд да наследи неговия труд върху решенията на уравненията в случай на колапс на свръхмасивно тяло.
Черна дупка го нарекъл друг водещ учен в тази насока през 1968 г. - професорът от Принстънския университет Джон Уилър и това цветисто наименование се наложило с образността над всички останали опити да бъде назован екзотичният обект.
ШВАРДШИЛДОВСКА /невъртяща се/ ЧЕРНА ДУПКА
Характеристики и структура
Шварцшилд отдавна се занимавал с уравненията на полето, описващи пространство-времето извън тяло със сферична симетрия и само месеци след публикуването на Общата теория на относителността изчислил характерния размер на колапсирало тяло. Така нареченият радиус на Шварцшилд е основна формула в теорията на черните дупки:
Rш = 2 G . M/c²
Тук G е гравитационната константа, а с – скоростта на светлината.
Следователно, на всеки обект с маса М може да бъде изчислен радиуса на областта, под която той би се свил до невъобразима плътност.
Така например, Земята, която има маса 6.10*24 кг, ако е възможно да се се свие до областта, където пространство-времето ще се затвори, ще има плътност 10*30 г/куб. см, а радиусът на Шварцшилд е по-малко от сантиметър –
Rш = 0,8 см.
Най-голямата планета в Слънчевата система Юпитер с масата на 318 земи, би бил област с радиус само 2,8 см - Rш.
Слънцето с маса 2,10*30 кг, има радиус на Шварцшилд
Rш = 3 км, а плътността му би нарастнала на 10*19 г/куб.см.
Галактиката с маса 10*11 Маси на Слънцето – има Rш = 0,03 св. г., но плътност – 10*(-3) г/куб.см.
Между 1965 и 1970 г. съвместната работа на Стивън Хокинг и Роджър Пенроуз показва, че в черната дупка съществува сингулярност.
В такова състояние е била материята и при Големия взрив. С този термин те наричат състоянието с безкрайно голяма плътност и безкрайна кривина на пространство-времето, при което законите на познатата ни физика не са валидни, а времето и пространството имат начало и край. Но това е само вътре в черната дупка, откъдето нито лъч светлина или някаква информация могат да излязат.
“С други думи, сингулярностите в резултат на гравитационен колапс настъпват само на места като черните дупки, където са благоприлично скрити от външен поглед чрез хоризонта на събитията."
Хокинг, “Черни дупки” от “Кратка история на времето”
И по-нататък:
“Хоризонтът на събитията, границата на пространство-времевата област, от която не може да се избяга, действа като еднопосочна мембрана около черната дупка: обекти като непредпазливи астронавти могат да паднат през хоризонта на събития в черната дупка, но нищо не може никога да се измъкне от черната дупка през хоризонта на събитията… Всичко или всеки, който падне през хоризонта на събития, скоро ще стигне областта с безкрайна плътност и края на времето.”
Черната дупка може да е далеч от звездни компаньони, някъде в междузвездното пространство, но светлината от звездите все пак стига и до нея. Направлението на светлинните лъчи могат да достигат до черната дупка под всякакви ъгли. Тези, които са насочени точно към сингулярността или центъра на черната дупка наистина ще навлязат под хоризонта на събития и черната дупка ще ги погълне. Другите ще се изкривят малко или много в зависимост от ъгъла на попадение, съгласно едно от следствията на Общата теория на относителността. Множеството светлинни лъчи с всякакви закривявания около хоризонта на събитията ще образуват нещо като “фотонна сфера”.
фотонна сфера – в червено
Фотонната сфера е призрака на черната дупка, която издава присъствието й. Всъщност структурните елементи на самата черна дупка в пространството са:
-
сингулярност и
-
хоризонт на събитията.
През 1967 г. канадският учен Вернер Израел стига до извода, че невъртящите се черни дупки трябва да са идеално сферични и размерът им да зависи само от тяхната маса.
Идеалната сферичност не дотам правилните по форма масивни звезди достигат в крайния си стадий поради излъчването на гравитационни вълни - установяват Пенроуз и Уилър. Всяка невъртяща се звезда, независимо колко сложни са формата и вътрешният й строеж, след гравитационен колапс ще завърши с идеално сферична черна дупка, чийто размер ще зависи само от нейната маса. Това е неизбежното й стационарно състояние.
Всъщност, всяко тяло, движещо около по-масивно тяло губи енергия в резултат на “набръчкване” на пространство-времето и възникналите гравитационни вълни. Земята, движейки се по орбита около Слънцето също създава гравитационни вълни, които се разпространяват в пространството и постоянно отнасят енергията й на движение /кинетичната енергия/. Ефектът от загуба на енергия води до постоянна промяна на земната орбита – тя все повече се стеснява и доближава до Слънцето. Земята е обречена да падне върху Слънцето.
Скоростта на загуба на енергия в случая със Земята обаче е твърде малка – колкото на малък електронагревател. Земята ще се сблъска със Слънцето след 10*27 години, когато нито Земя, нито Слънце ще има. Еволюционното им развитие ще приключи много преди момента на фаталния им гравитационен сблъсък.
Много по-бързо губят енергия две неутронни звезди в тясна система. И гравитационните вълни в този случай са по-внушителни. Към такива обекти, както и към тесни системи от неутронна звезда и черна дупка или две черни дупки е насочено вниманието за детектиране на такива вълни.
тясна система неутронни звезди и гравитационните вълни
При хоризонта на събитията на невъртяща се черна дупка
Нека си подберем подходяща черна дупка. Тя трябва да е от масивните - с маса поне 10 000 слънчеви, за да не разкъса тялото ни при пресичане на хоризонта на събитията. С доближаване до хоризонта всяка частица от нашето тяло ще изпитва различна сила на привличане в зависимост от разстоянието й до гравитиращото тяло – черната дупка по-силно ще ни тегли за краката, отколкото за главата, ако скачаме с краката напред към нея и обратно. Така тя ще се стреми да ни разкъса на парчета, преди да ни погълне.
Приливни сили.
При падане върху черна дупка пътешественикът бива разкъсан на части от разликата в силите на привличане, приложени към различни части от тялото му.
Но ако масата й е голяма като подбраната, натоварването на тялото поради разликата в приливните сили към отделните му части, ще бъде поносима – за кратко време тялото на астронавтите издържа до натоварване 10 пъти.
пътешествие в невъртяща се черна дупка
Нека сме се уговорили да изпращаме през равни интервали време сигнали за земни наблюдатели. С доближаване до хоризонта на събитията, тези сигнали ще стават все по-разредени, докато в един момент те ще спрат. Ако можеха да ни виждат от Земята, в този момент ние завинаги ще останем с изтерзания си вид, опитвайки се да задържим частите на тялото си в едно цяло. Нещо като размазани върху прозорец мухи. Защото хоризонта на събитията е невидим – това е само тази част от пространство-времето, откъдето все още достига изпратена информация. Ако за външен наблюдател нещата спират дотук, то нека си представим, че сме успели някак да се справим с неимоверно нарастналата си маса и пресечем хоризонта на събитията. Няма начин да разберем кога става това. Впоследствие обаче разбираме, че повече нямаме никакъв избор.Попаднали сме
Под хоризонта на събитията на невъртяща се черна дупка
Продължаваме да изпращаме сигнали, които никога няма да бъдат получени. Съдбата ни е да слеем това, което е останало от нас с масата, концентрирана в центъра на черната дупка – в сингулярността.
Пространство-времето във вътрешността на невъртяща се черна дупка може да се изобрази чрез диаграмата на Пенроуз:
Тук сингулярността е пространственоподобна – тя е “разтеглена” по абсцисата на пространствените координати.
Това означава, че наистина всичко попаднало под хоризонта на събития на такава невъртяща се черна дупка е обречено да падне върху сингулярността.
Диаграмата на Пенроуз обаче е симетрична – тя предвижда съществуването на друга Вселена “зад” сингулярността. Попадайки неизбежно върху сингулярността обаче всичко среща там краят на пространство-времето.
Диаграмата на Пенроуз за шварцшилдова черна дупка, даваща определеност на ставащото в нашата и другата вселена.
ВЪРТЯЩА СЕ ЧЕРНА ДУПКА
Характеристики и структура
Невъртяща се черна дупка възниква от невъртяща се звезда. Такава реално не съществува Това е само едно частно математическо решение на айнщайновите уравнения, получено от Шварцшилд още през 1917 г.
През 1963 г. новозенландецът Рой Кер намира множество решения на уравненията на Общата теория на относителността, описващи въртящи се черни дупки.
Черните дупки на Кер се въртят с постоянна скорост, като размерът и формата им зависят само от масата и скоростта на въртене, но не и от естеството на тялото, чийто колапс е довел до образуването им.
Този резултат става известен с максимата “черната дупка няма коса”.
“Черната дупка няма коса”, Дж. Уилър
Цялата информация за телата, падащи в черната дупка бива загубена завинаги. Остават само масата, заряда и моментът на количеството движение, което значи, че черните дупки са най-простите обекти във Вселената, които могат да се опишат само с тези 3 параметъра. Имайки предвид, че зарядът може много бързо след възникване на черната дупка да бъде компенсират, то в крайна сметка остават само 2 параметъра – масата и въртенето.
В частния случай, когато скоростта на въртене е 0, се стига до случая на Шварцшилдовска невъртяща се черна дупка с идеална сферична форма.
Колкото е по-голяма скоростта на въртене на черната дупка, толкова повече тя е издута в екваториалната област.
Всяко въртящо се тяло, което колапсира до образуване на черна дупка, накрая достига стационарно състояние, описано от решението на Кер.
Въртящите се черни дупки имат 2 хоризонта на събитията. Прието е външният да се нарича граница на стационарност, а вътрешният хоризонт на събитията е този, който обгражда идеалната сфера, ако черната дупка не се върти. При полюсите те се припокриват.
Областта между границата на стационарност и хоризонта на събитията се нарича ергосфера.От нея е възможно да се измъкне нещо попаднало обратно в нашата Вселена.
Всичко, попаднало в ергосферата обаче бива увлечено в непрекъснато движение. Нищо не може да “зависне” над определена точка от хоризонта на събитията. Този ефект, известен като “увличане на инерциалните отправни системи” на Лензе-Тиринг отразява принципа на Мах, според който всяко тяло във Вселената дава своя принос за инерцията на останалите тела. Махалото на Фуко е илюстрация на този принцип, в сила и за Земята. Поради това “увличане” съществува прецесията на земната ос в пространството, известна отпреди 2000 години, когато Хипарх е забелязал и описал явлението.
Механизмът на Пенроуз
Ако частица попадне в ергосферата и се разпадне на две частици, възможно е едната да излезе от ергосферата, отнасяйки със себе си част от момента на количеството движение на черната дупка.
Във вътрешността на керовска черна дупка
Сингулярността на такава черна дупка е с формата на пръстен.
Диаграмата на Пенроуз я изобразява като времеподобна.
Сингулярности.
В шварцшилдова черна дупка сингулярността е точка и върху нея попада всичко, срещайки неминуемата си гибел. Сингулярността на въртящата се керовска черна дупка е пръстеновидна. Има възможност да се премине през нея, но пътешественикът се озовава в странна област на пространство-времето – отрицателното пространство, както и да попадне в друга вселена – в света на антигравитацията . Тук вместо привличането има отблъскване и на вещество, и на светлина – най-удивителното свойство на черните дупки
Това означава, че съществува вероятност да се премине през центъра на въртяща се черна дупка без да се попадне непременно през сингулярността. Това е в случай на навлизаща частица по оста на въртене или на много малък ъгъл спрямо нея.
Наистина такава частица няма да “усети” краят на пространство-времето, характерни за сингулярността, но няма да има възможност да се завърне в нашата Вселена. Затова пък може да “пътешества” от една в друга Вселена.
Движението е еднопосочно – от нашата към друга Вселена. После към следваща и т.н. Завръщането обратно в нашата Вселена е невъзможно, защото би нарушило “космическата цензура”. Поставя я Пенроуз, разработвайки въпроса за сингулярността - ГОЛИ СИНГУЛЯРНОСТИ НЕ СЪЩЕСТВУВАТ! Защото, ако съществуваха, те биха наложили хаоса, биха объркали мястото на причината и следствието на събитията. Бихме умирали, преди да се родим. А това не е така. В нашата Вселена има ред и физичните закони ни позволяват да я опознаем.
Именно космическата цензура налага съществуването на хоризонт на събитията, отделящи сингулярността от подредения ни свят.
Пространството около черна дупка.
Веществото, попадащо към хоризонта на събитията се завихря в акреционен диск, ускорявайки се все повече по спираловидната си траектория към хоризонта на събитията. Частиците излъчват рентгенови лъчи и източниците на такива лъчи отдавна са заподозрени за евентуални черни дупки. Характерни са и джетовете – потоците изхвърлящо се вещество от околността на черната дупка по оста на въртене. Ако наблюдателят е по направление на тази ос, той ще вижда мощен източник на гама-излъчване.
Тук не става дума за излъчване на самата черна дупка, а за характерно поведение на частиците, попаднали в хватката на гравитацията от околното пространство.
БЕЛИ ДУПКИ
Ако същестуването на черните дупки следва логически и математически от самите уравнения на Общата теория на относителността, то единствено чувството за симетрия предполага съществуването на техните антиподи – белите дупки. Самото обстоятелство, че въртящите се черни дупки имат времеподобни сингулярности, предполага, че ако се обърне оста на времето в противоположната посока, същите уравнения, описващи керовска черна дупка биха станали уравнения на бялата дупка. Физическият обект, отговарящ на такова решение е нещо, от което само излиза материя.
Ако се вземе предвид геометричното изображение на въртяща се черна дупка чрез диаграмата на Пенроуз, интерпретацията е следната: Ако черните дупки в една вселена са пространство-времето, което само поглъща, това същото пространство-време в друга вселена се проявява като бяла дупка, която само излъчва.
Черна дупка – в случая невъртяща се – всичко попаднало върху нея е обречено да падне върху сингулярността.
Бяла дупка – можем да си представим как вещество и лъчение, идващи от хоризонта на минали събития идват в нашата Вселена – тогава това е бяла дупка.
Образуване на пространствено-времеви тунел. Чрез черните дупки може да се пътува в други вселени, но с еднопосочен билет.
Мостът на Розе-Айнщайн може да ни изведе в друга вселена, където черната дупка в нашата Вселена се превръща в своя антипод - бяла дупка в другата вселена.
В този смисъл бяло-черните дупки всъщност са сиви дупки.
Сива дупка
Траекторията на излъченото от хоризонта на миналите събития /на бялата дупка/ може да доведе до попадане върху хоризонта на бъдещите събития /на черна дупка/.
Вземайки предвид следствието от Общата теория на относителността за гравитационното почервеняване, можем да си позволим да си представим и цветни дупки: черните ще изглеждат червени, а белите – сини. Имайки предвид интерпретацията черно-бяла дупка като сива, можем да говорим наистина за цяла гама цветни дупки.
цветни дупки
Наистина светът не е само чернобял.
Докато черните дупки днес са наблюдателен факт, то белите, сиви или цветни дупки са игра на въображението. И все пак, знае ли се?…
ИЗЛЪЧВАНЕ НА ЧЕРНИТЕ ДУПКИ
Към 70-те години на ХХ век вече имало достатъчно добре оформена представа за черните дупки като за пространство-време, от което нищо не може да излезе. Според тази класическа теория, черните дупки с времето само биха “набъбвали”, поглъщайки все повече материя, но вечното им съществуване не било поставяно под въпрос.
Стивън Хокинг
“От 1970 до 1974 г. работих главно по черните дупки. Но през 1974 г. направих може би най-изненадващото откритие: черните дупки не са съвсем черни! Оказа се, че като се отчете дребномащабното поведение на материята, от черната дупка могат да се процеждат частици и лъчения. Черната дупка излъчва така, сякаш е нагрято тяло!”
Хокинг, “Черни дупки и бебета вселени”
Аналогията между нагрято тяло, описвано от термодинамиката и черната дупка дава по-нататъшното развитие на теорията на черните дупки.
Вторият принцип в термодинамиката гласи: ЕНТРОПИЯТА НА ЗАТВОРЕНА СИСТЕМА МОЖЕ САМО ДА СЕ УВЕЛИЧАВА С ВРЕМЕТО. Ентропията е тази част от енергията в затворена система, която не е превърната в полезна работа и допринася за увеличаване на хаоса в системата. С други думи ентропията е мерило за хаос.
През 1972 г. Бекенщайн изследвал сходството между поведението на ентропията и свойствата на хоризонта на събития на черните дупки. Както ентропията, така и хоризонта на събитията с времето само могат да нарастват:
Ентропия – Хоризонт на събитията
Всяко тяло с температура над абсолютната /-273º К/ излъчва енергия. Следователно и черните дупки излъчват.
Ролята на “температура” при черните дупки играе гравитацията, а тя се определя от масата на черната дупка. Пак от масата на черната дупка зависи нейният размер, т.е. хоризонта на събитията. И така:
Колкото е по-голяма масата на черната дупка, толкова е по-голям размерът й или хоризонта на събитията, но масата е обратно пропорционална на температурата.
Колкото е по-малка една черна дупка, толкова повече енергия трябва да излъчва, толкова е по-висока температурата й.
В средата на миналия век квантовата механика, описваща свойствата на най-малкото – елементарните частици, има своите теоретични и експериментални устои и продължава възхода си. Голяма част от физиците са насочили вниманието си именно към нея. Малцина се занимават с развиване теорията на Големия взрив и разширяващата се Вселена и още по-малко са тези, които търсят допирни точки между микро- и макросвета.
Хокинг обаче изследва квантовите ефекти в близост до черните дупки.
В квантовата механика основен принцип е Принципът на неопределеността, изведен от Хайзенберг и често наричан на негово име. Една от формулировките му е: НЕ МОЖЕ ДА СЕ ИЗМЕРИ С ТОЧНОСТ ЕНЕРГИЯТА НА ЧАСТИЦА В НЕОГРАНИЧЕНО МАЛЪК ИНТЕРВАЛ ВРЕМЕ. Колкото по-малък е интервалът време, толкова по-голяма е неопределеността в стойността на енергията на частицата и обратно.
Квантовата механика борави с математическия апарат на вероятностите. Вероятностите тук не са просто математически величини, а описват самата същност в поведението на елементарните частици. В микросвета математическите вероятности придобиват физически смисъл.
Много образно самият Хокинг описва квантовия свят:
Из Черни дупки и бебета вселени”:
“Според мен мълчаливото доверие в реалност, независимо от модел, лежи в основата на трудностите, които философите на науката срещат с квантовата механика и Принципа на неопределеността. Има един знаменит мислен експеримент, наречен котката на Шрьодингер:
В затворена кутия е поставена котка. Към нея е насочена пушка, която ще гръмне при разпадане на едно радиоактивно ядро. Вероятността това да се случи е 50%.
Отваряйки кутията, ще открием, че котката е или мъртва, или жива. Но преди да се отвори кутията, квантовото състояние на котката ще представлява смес от състояние мъртва котка и състояние, в което котката е жива. Това се оказва много трудно за приемане от някои философи на науката. Котката не може да бъде наполовина убита и наполовина неубита, твърдят те, както една жена не може да бъде наполовина бременна. Затруднението при тях идва оттам, че те негласно използват класическата представа за реалността, при която всеки обект има една единствена история. Основният въпрос в квантовата механика е, че тя има друга представа за реалността. При нея обектът няма само една-единствена история, а има всички възможни истории. В повечето случаи вероятността да има конкретна история се унищожава от вероятността да има съвсем малко по-различна история, но в определен момент вероятността за близки помежду си истории се усилват една друга. Именно една от тези усилени истории ние наблюдаваме като история на обекта.
При котката на Шрьодингер има две истории, които се усилват една друга. При едната история котката е убита, докато при другата тя остава жива. В квантовата теория двете вероятности могат да съществуват едновременно. Но някои философи се оказват в мъгля, защото имплицитно приемат, че котката може да има само една история.”
Вземайки предвид Принципа на неопределеността за енергията и формулата на Айнщайн Е = m . c² придобиваме нова представа за вакуума. Празно пространство наистина не е точният израз, описващ същността на вакуума. Той е като врящ океан от елементарни частици, чиято енергия се “овеществявава” от време на време. Неопределеността в енергията на двойка виртуални частици - частица и античастица е толкова голяма, че времето на съществуването им във вид на вещество с определена маса е много малко. След нищожни части от секундата, те вече са анихирали и влели отново превърната си в енергия маса във вакуума. Маса-енергията на вакуума остава постоянна величина. Законът за запазване масата-енергията е спазен.
Излъчване на черна дупка – излъчване на Хокинг
Двойка виртуални частици, примерно електрони, бива разделена от огромната гравитация в непосредствена близост до хоризонта на събитията. За краткото време на съществуване на виртуалните частици едната успява да попадне завинаги под хоризонта, а другата остава самотна и се реализира в «обикновена» частица. Външен наблюдател регистрира нейната поява като излъчване на черната дупка.
излъчването на Хокинг в близък план
Мощното гравитационно поле в околностите на черна дупка рязко усилва процеса на възникване на виртуални частици.
Пространство-времето буквално се разкъсва от мощната гравитация.
Ако двойката виртуални частици е до самия хоризонт на събитията, има вероятност за времето на краткото им съществуване едната частица да попадне безвъзвратно под хоризонта на събития и другата вече няма как да анихилира. Времето на съществуване й като частица се удължава и външен наблюдател може да я регистрира като елементарна частица, излъчена от черната дупка.
И така, частиците не се излъчват от черната дупка, а от пространството извън хоризонта на събитията.
ЕВОЛЮЦИЯ НА ЧЕРНИТЕ ДУПКИ
В нашия свят масата и енергията на телата са само положителни величини. Но светът под хоризонта на черните дупки е друг. В този смисъл може да се приеме, че втургащите се към сингулярността частици внасят в черната дупка отрицателна маса-енергия, която намалява маса-енергията на черната дупка. С намаляване на масата на черната дупка се смалява и хоризонта на събитията или размерът на областта от пространство-времето.
Черните дупки, излъчвайки, се смаляват. При това, колкото повече се смаляват, толкова по-бързо губят маса. Не е напълно ясно какво става, когато масата стане съвсем малка, но следвайки логиката на разсъжденията – все по-ускоряващият се процес в крайна сметка ще доведе до много бързо изчерпване на масата или до “един гигантски последен взрив, равностоен на експлозията на милиони водородни бомби”.
Черна дупка с маса няколко пъти слънчевата излъчва като тяло с температура 1/1 000 000 част от градуса над абсолютната нула!
Това е много по-ниска температура от фоновото реликтово лъчение – остатък от Големия взрив – 2,4º над абс. нула. Така че, черните дупки излъчват винаги по-малко, отколкото поглъщат.
Ако Вселената се разширява вечно, температурата й ще спадне под температурата на излъчване на черна дупка със звездна маса. Но дори и тогава ще са необходими 10*66 години, за да се изпари черната дупка. Това е много по-дълго време от възрастта на Вселената сега – 1,4.10*10 години.
ПЪРВИЧНИ МИНИ-ЧЕРНИ ДУПКИ
Ясно е, че сега черни дупки със звездна маса възникват след взрив на Свръхнова като краен стадий от еволюцията на масивна звезда. Свръхмасивните черни дупки в центъра на галактиките вероятно са резултат от сливане на множество черни дупки със звездни маси, но за техния произход не можем да сме сигурни.
Хокинг говори за съществуването на първични миниатюрни черни дупки, образувани в първите мигове след Големия взрив от възникналите нееднородности на материята. Техните маси са много по-малки от масата на Слънцето и достигат до
1/100 000 грама.
Животът на една първична черна дупка с маса 10*9 тона е приблизително равен на възрастта на Вселената. Минидупка с маса милиарди тонове и размер на протон /10*-33 см/ излъчва като нагрято до 120 милиарда К тяло.
Първичните черни дупки с по-малки маси би трябвало вече да са се изпарили, а тези които все още излъчват би трябвало всъщност да са “нажежени” и да излъчват енергия около 10 000 Мегавата.Излъчването с такава енергия е в рентгеновия или гама-диапазон.
Оценките водят до около 300 първични черни дупки на кубична светлинна година средно или това е 1/милионна част от вселенската материя.
Хокинг докладва своите резултати на конференция в лабораторията “Ръдърфорд – Апълтън” близо до Оксфорд и отначало среща пълно недоверие, но
Из “Кратка история на времето”, Хокинг
“Черните дупки не са толкова черни”:
“…но в крайна сметка повечето…стигнаха до извода, че черните дупки трябва да излъчват подобно на горещи тела, ако останалите ни представи за Общата теория на относителността и квантовата механика са правилни. Така че, макар още да не сме успели да намерим първична черна дупка, почти всички са съгласни, че ако успеем, тя ще трябва обилно да излъчва гама- и рентгенови лъчи.
Съществуването на излъчване от черните дупки предполага гравитационният колапс да не е така окончателен и безвъзвратен, както някога мислехме. Ако един астронавт падне в черна дупка, нейната маса ще се увеличи, но енергийният еквивален на тази допълнителна маса ще се върне във Вселената под формата на излъчване. Така в известен смисъл астронавтът ще бъде “възстановен”. Това обаче ще е неприятен вид безсмъртие, защото всяка лична представа на астронавта за време почти неизбежно ще свърши с разкъсването му във вътрешността на черната дупка! Дори видовете частици, които вероятно ще се излъчат от черната дупка, ще бъдат в общия случай различни от тези, изграждащи астронавта: единственото свойство на астронавта, което ще оцелее, ще бъде неговата маса или енергия.”
Сподели с приятели: |
