Imaju li crne rupe naboje? Crna rupa je najmisteriozniji objekat u svemiru. Reissner-Nordström rješenje

Koliki je električni naboj crne rupe? Za "normalne" crne rupe astronomskih razmjera ovo pitanje je glupo i besmisleno, ali za minijaturne crne rupe prilično je relevantno. Recimo da je minijaturna crna rupa pojela malo više elektrona nego protona i stekla negativan električni naboj. Šta se događa kada je nabijena minijaturna crna rupa unutar guste materije?

Za početak, procijenimo otprilike električni naboj crne rupe. Numerimo naelektrisane čestice koje padaju u crnu rupu počevši od samog početka tiryampampacije koja je dovela do njene pojave i počnimo da zbrajamo njihove električne naboje: proton - +1, elektron - -1. Smatrajte ovo slučajnim procesom. Vjerovatnoća da dobijete +1 na svakom koraku je 0,5, tako da imamo klasičan primjer slučajnog hoda, tj. prosječni električni naboj crne rupe, izražen u elementarnim nabojima, bit će jednak

Q = sqrt(2N/π)

gdje je N broj nabijenih čestica koje apsorbira crna rupa.

Uzmimo našu omiljenu crnu rupu od 14 kilotona i izračunajmo koliko je nabijenih čestica pojela.

N = M/m proton = 1,4*10 7 /(1,67*10 -27) = 8,39*10 33
Dakle, q = 7,31*10 16 elementarnih naboja = 0,0117 C. Čini se malo - takav naboj prolazi u sekundi kroz nit sijalice od 20 vati. Ali za statički naboj vrijednost nije bolesna (gomila protona s takvim ukupnim nabojem teška je 0,121 nanogram), a za statički naboj objekta veličine elementarne čestice vrijednost je jednostavno jebena.

Hajde da vidimo šta se dešava kada naelektrisana crna rupa uđe u relativno gustu materiju. Za početak, razmotrite najjednostavniji slučaj - plinoviti dvoatomski vodik. Pretpostavlja se da je pritisak atmosferski, a temperatura sobne temperature.

Energija jonizacije atoma vodonika je 1310 kJ/mol ili 2,18*10 -18 po atomu. Energija kovalentne veze u molekulu vodonika je 432 kJ/mol ili 7,18*10 -19 J po molekulu. Udaljenost do koje elektroni treba da se odvuku od atoma, uzet ćemo kao 10 -10 m, čini se da je dovoljno. Dakle, sila koja djeluje na par elektrona u molekulu vodonika tokom jonizacije trebala bi biti jednaka 5,10 * 10 -8 N. Za jedan elektron - 2,55 * 10 -8 N.

Prema Coulombovom zakonu

R = sqrt(kQq/F)

Za crnu rupu od 14 kilotona imamo R = sqrt (8,99*10 9 *0,0117*1,6*10 -19 /2,55*10 -8) = 2,57 cm.

Elektroni otrgnuti od atoma dobijaju početno ubrzanje od najmanje 1,40 * 10 32 m / s 2 (vodik), ioni - najmanje 9,68 * 10 14 m / s 2 (kiseonik). Nema sumnje da će crna rupa vrlo brzo apsorbirati sve čestice potrebnog naboja. Bilo bi interesantno izračunati koliko će energije čestice suprotnog naboja imati vremena da bace u okolinu, ali brojanje integrala se lomi :-(Ne znam kako to da uradim bez integrala :-(Nasum, vizuelni efekti će varirati od vrlo male loptaste munje do sasvim pristojne vatrene lopte.

Sa drugim dielektricima, crna rupa radi otprilike istu stvar. Za kiseonik radijus jonizacije je 2,55 cm, za azot je 2,32 cm, za neon je 2,21 cm, za helijum je 2,07 cm. Za kristale, permitivnost je različita u različitim smjerovima, a zona ionizacije će imati složen oblik. Za dijamant, prosječni radijus ionizacije (na osnovu tabelarne vrijednosti konstante permitivnosti) će biti 8,39 mm. Siguran sam da sam skoro svuda lagao o malim stvarima, ali red veličine bi trebao biti ovakav.

Dakle, crna rupa, kada jednom uđe u dielektrik, brzo gubi svoj električni naboj bez stvaranja posebnih efekata, osim transformacije male zapremine dielektrika u plazmu.

Ako udari u metal ili plazmu, stacionarno nabijena crna rupa neutralizira svoj naboj gotovo trenutno.

Pogledajmo sada kako električni naboj crne rupe utiče na ono što se dešava crnoj rupi u utrobi zvijezde. U prvom dijelu rasprave već su date karakteristike plazme u centru Sunca - 150 tona po kubnom metru jonizovanog vodonika na temperaturi od 15.000.000 K. Za sada helijum otvoreno ignorišemo. Toplotna brzina protona u ovim uslovima je 498 km/s, dok elektroni lete skoro relativističkim brzinama - 21.300 km/s. Zarobiti tako brz elektron gravitacijom je gotovo nemoguće, tako da će crna rupa brzo dobiti pozitivan električni naboj sve dok se ne postigne ravnoteža između apsorpcije protona i apsorpcije elektrona. Da vidimo kakav će balans biti.

Sila gravitacije koja djeluje na proton sa strane crne rupe

F p \u003d (GMm p - kQq) / R 2

Prva "elektroprostorna" :-) brzina za takvu silu dobija se iz jednačine

mv 1 2 /R = (GMm p - kQq)/R 2

v n1 = sqrt((GMm n - kQq)/mR)

Druga "elektrokosmička" brzina protona je

v n2 = sqrt(2)v 1 = sqrt(2(GMm n - kQq)/(m n R))

Dakle, radijus apsorpcije protona je jednak

R p = 2(GMm p - kQq)/(m p v p 2)

Slično, radijus apsorpcije elektrona je

R e \u003d 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)

Da bi se protoni i elektroni apsorbovali jednakim intenzitetom, ovi poluprečnici moraju biti jednaki, tj.

2(GMm p - kQq)/(m p v p 2) = 2(GMm e + kQq)/(m e v e 2)

Imajte na umu da su nazivnici jednaki i smanjite jednačinu.

GMm p - kQq = GMm e + kQq

Iznenađujuće, ništa ne zavisi od temperature plazme. Odlučujemo:

Q \u003d GM (m p - m e) / (kq)

Zamjenjujemo brojeve i s iznenađenjem dobivamo Q = 5,42 * 10 -22 C - manje od naboja elektrona.

Zamenimo ovaj Q u R p = R e i sa još većim iznenađenjem dobijamo R = 7,80 * 10 -31 - manje od radijusa horizonta događaja za našu crnu rupu.

PREVED MEDVED

Zaključak je ravnoteža na nuli. Svaki proton koji crna rupa proguta odmah dovodi do gutanja elektrona i naboj crne rupe ponovo postaje nula. Zamjena protona težim jonom suštinski ništa ne mijenja - ravnotežni naboj neće biti tri reda veličine manji od elementarnog, već jedan, pa šta?

Dakle, generalni zaključak je da električni naboj crne rupe ne utiče bitno ni na šta. I izgledalo je tako primamljivo...

U sljedećem dijelu, ako ni autoru ni čitaocima ne dosadi, razmotrićemo minijaturnu crnu rupu u dinamici – kako juri kroz utrobu planete ili zvijezde i proždire materiju na svom putu.

Kada je čovek počeo da proučava svemir, naišao je na misteriozni fenomen. Zove se "crna rupa". Ispada da u prostor-vremenu postoji određena oblast sa velikom gravitacionom privlačnošću. Kao rezultat, čak ni objekti koji se kreću brzinom svjetlosti ne mogu izaći iz njega.

Govorimo o kvantima same svjetlosti. Ova područja su zaista crna, upijaju sve oko sebe i nikad se ne puštaju. O njihovoj prirodi i mogućnostima možemo samo nagađati, a nedostatak informacija o ovom fenomenu stvara neke mitove.

Mitovi o crnim rupama

Albert Ajnštajn je bio prvi koji je objavio postojanje crnih rupa.Činilo bi se, ko, ako ne ovaj veliki naučnik, teoretičar vremena i prostora, treba da proglasi postojanje crnih rupa? Zapravo, on nije bio prvi koji je iznio takvu pretpostavku, već John Mitchell. To se dogodilo davne 1783. godine, dok je Ajnštajn stvorio svoju teoriju 1916. godine. Međutim, tih dana se pokazalo da teorija nije tražena, engleski svećenik Mitchell jednostavno joj nije našao primjenu. I sam je počeo razmišljati o crnim rupama, prihvatajući Newtonovu teoriju o prirodi svjetlosti. U to vrijeme vjerovalo se da se sastoji od najsitnijih materijalnih čestica, fotona. Razmišljajući o njihovom kretanju, Mitchell je shvatio da ono u potpunosti zavisi od gravitacionog polja zvijezde odakle čestice kreću svoje putovanje. Naučnik se pitao šta bi se desilo sa fotonima da je gravitaciono polje toliko veliko da uopšte ne oslobađa svetlost. Zanimljivo je da se upravo Mitchell smatra osnivačem seizmologije kakvu poznajemo. Prvi je predložio engleski sveštenik. Da se zemljotresi šire po površini poput talasa.

Crne zvijezde ne upijaju prostor. Prostor se može zamisliti kao guma. Tada će planete biti nekakve lopte koje vrše pritisak na njega. Kao rezultat, dolazi do deformacije, a prave linije nestaju. Tako se pojavljuje gravitacija, što objašnjava kretanje planeta oko zvijezda. Sa povećanjem mase, deformacija se samo povećava. Pojavljuju se dodatne perturbacije polja koje određuju silu privlačenja. Orbitalne brzine se povećavaju, što podrazumijeva sve brže kretanje tijela oko objekta. Na primjer, planeta Merkur kreće se oko Sunca brzinom od 48 km/s, a zvijezde se kreću u svemiru u blizini crnih rupa 100 puta brže! U slučaju jake gravitacione sile moguć je sudar između satelita i većih objekata. I sva ta masa teži centru - crnoj rupi.

Sve crne rupe su iste. Mnogima od nas se čini da ovaj pojam pripada objektima koji su u suštini isti. Međutim, astronomi su došli do zaključka da crne rupe imaju nekoliko varijanti. Postoje rupe koje se rotiraju, neke imaju električni naboj, a ima i onih koje imaju obje karakteristike. Obično se takvi objekti pojavljuju upijanjem materije, dok se rotirajuća crna rupa pojavljuje kada se dvije obične rupe spoje. Takve formacije, zbog povećane perturbacije prostora, počinju da troše mnogo više energije. Nabijena crna rupa pretvara se u jedan ogroman akcelerator čestica. Klasičan primjer objekta ove klase je GRS 1915+105. Ova crna rupa se vrti brzinom od 950 okretaja u sekundi, a nalazi se na udaljenosti od 35.000 svjetlosnih godina od naše planete.

Gustina crnih rupa je mala. Ovi objekti, zbog svoje veličine, moraju biti veoma teški kako bi stvorili privlačnu silu koja će zadržati svjetlost u sebi. Dakle, ako se masa Zemlje sabije do gustine crne rupe, dobićete loptu prečnika 9 milimetara. Tamni objekat, 4 miliona puta veći od mase Sunca, mogao bi stati između Merkura i naše zvijezde. Te crne rupe koje se nalaze u centru galaksija mogu težiti 10-30 miliona puta više od Sunca. Ovakva grandiozna masa u relativno malom volumenu znači da crne rupe imaju ogromnu gustinu i da su procesi koji se odvijaju unutra vrlo jaki.

Crne rupe su veoma tihe. Teško je zamisliti da je veliki tamni predmet, koji je usisao sve oko sebe, bio i bučan. Zapravo, sve što padne u ovaj ponor kreće se konstantnim ubrzanjem. Kao rezultat toga, na rubu prostor-vremena, koji još uvijek možemo osjetiti zbog konačnosti brzine svjetlosti, čestice se ubrzavaju gotovo do brzine svjetlosti. Kada se materija počne kretati ekstremnim brzinama, pojavljuje se klokotanje. To je posljedica transformacije energije kretanja u zvučne valove. Kao rezultat toga, crna rupa se ispostavlja kao vrlo bučan objekt. 2003. godine, astronomi koji su radili u svemirskoj opservatoriji Chandra X-ray bili su u mogućnosti da otkriju zvučne talase koji izviru iz masivne crne rupe. Ali nalazi se na udaljenosti od 250 miliona svjetlosnih godina od nas, što još jednom ukazuje na buku takvih objekata.

Ništa ne može pobjeći od privlačnosti crnih rupa. Ova izjava je tačna. Uostalom, kada se neki veliki ili mali objekti nađu u blizini crne rupe, sigurno će biti zarobljeni njenim gravitacionim poljem. Istovremeno, to može biti i mala čestica i planeta, zvijezda ili čak galaksija. Međutim, ako na ovaj objekt djeluje sila veća od privlačenja crne rupe, tada će moći izbjeći smrtno zatočeništvo. To može biti, na primjer, raketa. Ali to je moguće prije nego što objekt dosegne horizont događaja, kada svjetlost još uvijek može pobjeći iz zatočeništva. Nakon ove granice biće nemoguće pobjeći iz zagrljaja svemirskog čudovišta koje sve proždire. Uostalom, da biste pobjegli izvan horizonta, potrebno je razviti brzinu veću od brzine svjetlosti. A to je nemoguće čak ni teoretski. Dakle, crne rupe su zaista crne - pošto svjetlost nikada ne može izaći van, ne možemo gledati unutar ovog misterioznog objekta. Naučnici vjeruju da će čak i mala crna rupa rastrgati nesvjesnog posmatrača na čestice prije nego što stigne do horizonta događaja. Snaga privlačenja raste ne samo kako se približavamo centru planete i zvijezde, već i prema crnoj rupi. Ako prvo letite nogama prema njemu, tada će sila gravitacije u stopalima biti mnogo veća nego u glavi, što će dovesti do trenutnog pucanja tijela.

Crne rupe ne mijenjaju vrijeme. Svetlost obilazi horizont događaja, ali na kraju prodire unutra i nestaje u nepostojanju. Pa šta se dešava sa satom ako padne u crnu rupu i nastavi da radi tamo? Kako se približavaju horizontu događaja, počet će usporavati dok se konačno ne zaustave. Takvo zaustavljanje vremena povezano je s njegovim gravitacijskim usporavanjem, što objašnjava Ajnštajnovu teoriju relativnosti. Crna rupa ima tako veliku gravitacionu silu da može usporiti vrijeme. Sa gledišta sata, ništa se neće promijeniti, ali će nestati iz vidokruga, a svjetlost iz njega će se rastegnuti pod utjecajem teškog predmeta. Svetlost će početi da se kreće u crveni spektar, njena talasna dužina će se povećati. Kao rezultat toga, on će konačno postati nevidljiv.

Crna rupa ne proizvodi nikakvu energiju. Poznato je da ovi objekti uvlače svu okolnu masu. Naučnici sugeriraju da je sve unutra toliko komprimirano da je čak i prostor između atoma smanjen. Kao rezultat, rađaju se subatomske čestice koje mogu izletjeti. U tome im pomažu linije magnetnog polja koje prelaze horizont događaja. Kao rezultat toga, oslobađanje takvih čestica stvara energiju, a sama metoda je prilično učinkovita. Pretvaranje mase u energiju u ovom slučaju daje 50 puta veći povrat nego u toku nuklearne fuzije. Sama crna rupa izgleda kao veliki reaktor.

Nema veze između zvijezda i broja crnih rupa. Jednom je Carl Sagan, poznati astrofizičar, rekao da u svemiru ima više zvijezda nego zrna pijeska na plažama cijelog svijeta. Naučnici vjeruju da je ovaj broj još uvijek konačan i da je 10 na stepen od 22. Kakve to veze ima sa crnim rupama? Njihov broj određuje broj zvijezda. Ispostavilo se da se tokovi čestica koje oslobađaju crni objekti šire u mjehuriće neke vrste koji se mogu širiti kroz mjesta formiranja zvijezda. Ove oblasti se nalaze u oblacima gasa, koji kada se ohlade stvaraju svetla. A tokovi čestica zagrijavaju oblake plina i sprječavaju pojavu novih zvijezda. Kao rezultat toga, postoji stalna ravnoteža između aktivnosti crnih rupa i broja zvijezda u svemiru. Uostalom, ako u galaksiji ima previše zvijezda, onda će se ispostaviti da je previše vruća i eksplozivna, bit će teško da se tamo pojavi život. I, naprotiv, mali broj zvijezda također neće pomoći da se život pojavi.

Crne rupe su napravljene od drugačijeg materijala od nas. Brojni naučnici vjeruju da crne rupe pomažu u rađanju novih elemenata. I to se može razumjeti, s obzirom na cijepanje materije na najsitnije subatomske čestice. Zatim učestvuju u formiranju zvijezda, što na kraju dovodi do pojave elemenata težih od helijuma. Govorimo o ugljeniku i gvožđu, neophodnim za pojavu čvrstih planeta. Kao rezultat toga, ovi elementi su dio svega što ima masu, odnosno same osobe. Vjerovatno je da je pravi graditelj našeg tijela neka daleka crna rupa.

Koncept crne rupe poznat je svima - od školaraca do starijih, koristi se u naučnoj i fiktivnoj literaturi, u žutim medijima i na naučnim konferencijama. Ali ne znaju svi šta su tačno ove rupe.

Iz istorije crnih rupa

1783 Prvu hipotezu o postojanju takvog fenomena kao što je crna rupa iznio je 1783. engleski naučnik John Michell. U svojoj teoriji spojio je dvije Newtonove kreacije - optiku i mehaniku. Michellova ideja je bila sljedeća: ako je svjetlost tok sićušnih čestica, onda bi, kao i sva druga tijela, čestice trebale iskusiti privlačenje gravitacionog polja. Ispostavilo se da što je zvijezda masivnija, svjetlosti je teže odoljeti njenoj privlačnosti. 13 godina nakon Michella, francuski astronom i matematičar Laplace iznio je (najvjerovatnije nezavisno od svog britanskog kolege) sličnu teoriju.

1915 Međutim, sva njihova djela ostala su nezatražena do početka 20. stoljeća. Godine 1915. Albert Einstein je objavio Opću teoriju relativnosti i pokazao da je gravitacija zakrivljenost prostor-vremena uzrokovana materijom, a nekoliko mjeseci kasnije njemački astronom i teorijski fizičar Karl Schwarzschild ju je iskoristio za rješavanje specifičnog astronomskog problema. Istražio je strukturu zakrivljenog prostor-vremena oko Sunca i ponovo otkrio fenomen crnih rupa.

(John Wheeler je skovao termin "crne rupe")

1967 Američki fizičar John Wheeler ocrtao je prostor koji se može zgužvati, kao komad papira, u beskonačno malu tačku i označio termin "Crna rupa".

1974 Britanski fizičar Stephen Hawking dokazao je da crne rupe, iako gutaju materiju bez povratka, mogu emitovati zračenje i na kraju ispariti. Ovaj fenomen se naziva "Hawkingovo zračenje".

2013 Najnovija istraživanja pulsara i kvazara, kao i otkriće kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, konačno su omogućila da se opiše sam koncept crnih rupa. Godine 2013. plinski oblak G2 došao je vrlo blizu crnoj rupi i vjerovatno će biti apsorbiran njome, promatranje jedinstvenog procesa pruža velike mogućnosti za nova otkrića karakteristika crnih rupa.

(Masivni objekat Strelac A*, njegova masa je 4 miliona puta veća od Sunca, što implicira skup zvezda i formiranje crne rupe)

2017. Grupa naučnika iz Event Horizon Telescope saradnje nekoliko zemalja, povezujući osam teleskopa sa različitih tačaka zemaljskih kontinenata, obavila je opservacije crne rupe, koja je supermasivni objekat i nalazi se u galaksiji M87, sazviježđu Djevica. Masa objekta je 6,5 milijardi (!) solarnih masa, gigantski puta veća od masivnog objekta Strijelac A*, za poređenje, prečnik je nešto manji od udaljenosti od Sunca do Plutona.

Posmatranja su vršena u nekoliko faza, počevši od proljeća 2017. godine i tokom 2018. godine. Količina informacija izračunata je u petabajtima, koje je potom trebalo dešifrirati i dobiti pravu sliku ultra-udaljenog objekta. Stoga su bile potrebne još dvije cijele godine da se svi podaci unaprijed skeniraju i spoje u jednu cjelinu.

2019 Podaci su uspješno dekodirani i stavljeni u vidjelo, stvarajući prvu ikada sliku crne rupe.

(Prva ikada slika crne rupe u galaksiji M87 u sazviježđu Djevica)

Rezolucija slike vam omogućava da vidite senku tačke bez povratka u centru objekta. Slika je dobijena kao rezultat interferometrijskih opservacija sa ekstra dugom baznom linijom. To su takozvana sinhrona osmatranja jednog objekta sa više radioteleskopa, međusobno povezanih mrežom i smještenih u različitim dijelovima zemaljske kugle, usmjerenih u jednom smjeru.

Šta su zapravo crne rupe?

Lakonično objašnjenje fenomena zvuči ovako.

Crna rupa je prostorno-vremenski region čija je gravitaciona privlačnost toliko jaka da nijedan objekat, uključujući i kvante svetlosti, ne može da je napusti.

Crna rupa je nekada bila masivna zvezda. Dokle god termonuklearne reakcije održavaju visok pritisak u njegovim crijevima, sve ostaje normalno. Ali s vremenom se zalihe energije iscrpljuju i nebesko tijelo, pod utjecajem vlastite gravitacije, počinje da se smanjuje. Završna faza ovog procesa je kolaps zvjezdanog jezgra i formiranje crne rupe.

• 1. Izbacivanje mlaza crne rupe velikom brzinom


• 2. Disk materije izrasta u crnu rupu


• 3. Crna rupa


• 4. Detaljna šema regije crne rupe


• 5. Veličina pronađenih novih zapažanja

Najčešća teorija kaže da slične pojave postoje u svakoj galaksiji, uključujući i centar našeg Mliječnog puta. Ogromna gravitacija rupe može zadržati nekoliko galaksija oko sebe, sprječavajući ih da se udaljavaju jedna od druge. "Površina pokrivanja" može biti različita, sve zavisi od mase zvezde koja se pretvorila u crnu rupu, a može biti i hiljadama svetlosnih godina.

Schwarzschildov radijus

Glavno svojstvo crne rupe je da se svaka materija koja uđe u nju nikada ne može vratiti. Isto važi i za svetlost. U svojoj osnovi, rupe su tijela koja u potpunosti upijaju svu svjetlost koja pada na njih i ne emituju vlastitu. Takvi objekti mogu vizualno izgledati kao ugrušci apsolutne tame.

• 1. Kretanje materije upola manjom brzinom svjetlosti


• 2. Fotonski prsten


• 3. Unutrašnji fotonski prsten


• 4. Horizont događaja u crnoj rupi

Na osnovu Ajnštajnove opšte teorije relativnosti, ako se telo približi kritičnoj udaljenosti od centra rupe, ono se više ne može vratiti. Ova udaljenost se naziva Schwarzschildov radijus. Šta se tačno dešava unutar ovog radijusa nije poznato sa sigurnošću, ali postoji najčešća teorija. Vjeruje se da je sva materija crne rupe koncentrisana u beskonačno maloj tački, au njenom središtu se nalazi objekat beskonačne gustine, koji naučnici nazivaju singularnom perturbacijom.

Kako upada u crnu rupu

(Na slici crna rupa Strijelca A* izgleda kao izuzetno svijetla skupina svjetlosti)

Ne tako davno, 2011. godine, naučnici su otkrili oblak gasa, dajući mu jednostavno ime G2, koji emituje neobičnu svjetlost. Takav sjaj može izazvati trenje u plinu i prašini, uzrokovano djelovanjem crne rupe Strijelac A* i koje rotiraju oko nje u obliku akrecionog diska. Tako postajemo posmatrači nevjerovatnog fenomena apsorpcije oblaka plina od strane supermasivne crne rupe.

Prema nedavnim studijama, najbliži pristup crnoj rupi dogodit će se u martu 2014. Možemo ponovo stvoriti sliku kako će se odigrati ovaj uzbudljivi spektakl.

• 1. Kada se prvi put pojavi u podacima, oblak gasa liči na ogromnu loptu gasa i prašine.


• 2. Sada, od juna 2013. godine, oblak je desetinama milijardi kilometara udaljen od crne rupe. U njega pada brzinom od 2500 km/s.


• 3. Očekuje se da će oblak proći kroz crnu rupu, ali plimne sile uzrokovane razlikom u privlačenju koje djeluju na prednju i stražnju ivicu oblaka će uzrokovati da se on sve više izduži.


• 4. Nakon što se oblak razbije, većina će se najvjerovatnije pridružiti akrecionom disku oko Strijelca A*, stvarajući u njemu udarne talase. Temperatura će porasti na nekoliko miliona stepeni.


• 5. Dio oblaka će pasti direktno u crnu rupu. Niko ne zna šta će se tačno desiti sa ovom supstancom, ali se očekuje da će u procesu pada emitovati snažne tokove rendgenskih zraka, a da je niko drugi neće videti.

Video: crna rupa proguta oblak gasa

(Kompjuterska simulacija koliko će oblaka gasa G2 biti uništeno i potrošeno od strane crne rupe Sagittarius A*)

Šta je unutar crne rupe

Postoji teorija koja tvrdi da je crna rupa unutra praktično prazna, a sva njena masa koncentrisana je u neverovatno maloj tački koja se nalazi u samom njenom centru – singularitetu.

Prema drugoj teoriji koja postoji već pola veka, sve što upadne u crnu rupu odlazi u drugi univerzum koji se nalazi u samoj crnoj rupi. Sada ova teorija nije glavna.

A postoji i treća, najmodernija i najžilavija teorija, prema kojoj se sve što upadne u crnu rupu rastvara u vibracijama žica na njenoj površini, koja je označena kao horizont događaja.

Dakle, šta je horizont događaja? Nemoguće je pogledati unutar crne rupe čak ni sa super-moćnim teleskopom, jer čak i svjetlost, ulaskom u džinovski kosmički lijevak, nema šanse da se vrati. Sve što se nekako može razmotriti nalazi se u njegovoj neposrednoj blizini.

Horizont događaja je uslovna linija površine, ispod koje ništa (ni plin, ni prašina, ni zvijezde, ni svjetlost) ne može pobjeći. A ovo je vrlo misteriozna tačka bez povratka u crne rupe Univerzuma.

Sada prelazimo na priču o tome kako crna rupa može raditi kao električna mašina (elektromotor, dinamo, itd.).

Prije svega, moramo se upoznati sa zadivljujućim svojstvima granice crne rupe, koja sa

Rice. 5. Linije sile električnog polja naboja u blizini crne rupe. Plus i minus označavaju fiktivne površinske naboje na rubu crne rupe

sa stanovišta vanjskog posmatrača, manifestira se kao "membrana", obdarena određenim električnim svojstvima.

Da biste razumjeli o čemu je ovdje riječ, razmotrite električno polje naboja koje se nalazi u blizini nerotirajuće nenabijene crne rupe. Kao što smo već rekli, trodimenzionalni prostor u blizini crne rupe je zakrivljen, pa stoga linije polja ovog polja izgledaju vrlo neobično, kao što je prikazano na Sl. 5. Ovaj crtež je, naravno, šematski, jer je nemoguće prikazati konfiguraciju linija u zakrivljenom prostoru na ravnom komadu papira. Vidimo da dio linija polja, savijajući se, odlazi u svemir dalje od crne rupe. Ostale linije polja naslanjaju se na crnu rupu.

Kada bi se stvar ograničila na ovo, onda bi to značilo da je crna rupa nabijena. Zaista, znamo da Gaussov zakon kaže da broj linija sile koje prelaze zatvorenu površinu određuje ukupni naboj unutar nje. Ali naša crna rupa kao cjelina nije nabijena; To znači da ako postoje linije sile koje ulaze u crnu rupu, onda moraju postojati linije koje izlaze iz nje. Zaista, vidimo na slici da linije sile električnog polja izlaze iz crne rupe sa strane suprotne naboju i odlaze od crne rupe. Ovako složena konfiguracija polja povezana je sa jakom zakrivljenošću prostora.

Linije sile na sl. 5 izgledaju kao da je površina crne rupe električno vodljiva sfera i približavanje joj izvan naboja uzrokuje polarizaciju slobodnih naboja u električno vodljivoj sferi. Naplate koje imaju suprotno

Rice. 6. Fiktivna površinska struja na granici crne rupe. Crna rupa je spljoštena zbog rotacije

znak u odnosu na onaj kojem se približava, privlače se njime i skupljaju se na jednoj strani sfere. Naboji istog znaka kao i onaj koji se približava se odbijaju i sakupljaju sa suprotne strane (vidi sliku 5). Takva analogija nam omogućava da uslovno pretpostavimo da na površini crne rupe postoje (fiktivna) naelektrisanja, na kojoj se završavaju linije sile spoljašnjeg električnog polja.

Razmotrimo detaljnije proces približavanja električnog naboja crnoj rupi. U toku približavanja naelektrisanju, distribucija fiktivnog površinskog naelektrisanja crne rupe će se promeniti - naelektrisanja suprotnog predznaka se povlače u tačku koja se nalazi neposredno ispod naelektrisanja koje se približava. Dakle, možemo pretpostaviti da (fiktivna) struja teče na površini crne rupe! Nadalje, možemo povezati jačinu ove struje sa jačinom električnog polja koje djeluje duž površine crne rupe kada se naboj približi, kao što vidi udaljeni posmatrač:

Ovaj odnos ima oblik dobro poznatog Ohmovog zakona. Ovdje smo označili (fiktivni) površinski otpor crne rupe. Detaljno ispitivanje pokazuje da je ili u običnim jedinicama jednak 377 oma.

Dakle, već razmatranje najjednostavnijih elektrodinamičkih problema pokazuje da se površina crne rupe ponaša kao membrana obdarena određenim

električna svojstva. Razmatranje složenijih problema potvrđuje ovu tačku gledišta. Na primjer, neka dva toka naboja suprotnog predznaka padaju u različite dijelove površine crne rupe (slika 6), tako da se ukupni naboj crne rupe ne mijenja. Tada možemo pretpostaviti da od mjesta gdje pozitivni naboji A padaju do mjesta gdje padaju negativni naboji B, teče površinska električna struja, kao što je prikazano na sl. 6.

Moramo još jednom podsjetiti čitatelja da u stvarnosti ne postoje površinski naboji i struje (kao ni sama površina materijala) za crnu rupu. Ako neki posmatrač upadne u crnu rupu, onda pri prelasku horizonta ne nailazi na materijalnu površinu, na naboje, struje. Uvođenje ovih fiktivnih veličina je jednostavno vizuelna metoda predstavljanja ponašanja linija polja električnog (i, kao što ćemo vidjeti, i magnetskog) polja blizu granice crne rupe, sa stanovišta posmatrača. nalazi „daleko od crne rupe. Takav prikaz je vrlo zgodan, vizualan i omogućava rad našoj intuiciji, naviknutoj na analizu laboratorijskih eksperimenata sa provodnim sferama. To nam omogućava da, bez pribjegavanja komplikovanim idejama i proračunima u vezi sa zakrivljenim četverodimenzionalnim prostor-vrijemeom kojim se bavi opća teorija relativnosti, zamislimo ponašanje crne rupe u određenim uvjetima na relativno jednostavan način.

U budućnosti ćemo koristiti opisanu reprezentaciju, bez preciziranja svaki put fiktivnosti koncepata površinskih naboja i struja za crnu rupu.

Pređimo sada na razmatranje kako crna rupa može igrati ulogu različitih elemenata električnog kola i električnih mašina. Ovu liniju istraživanja sada aktivno razvijaju američki fizičar Kip Thorne i njegove kolege. Naravno, nećemo se zadržavati na tehničkim detaljima konstrukcija, već ćemo predstaviti samo opće sheme.

Postojeće ideje o crnim rupama zasnovane su na teoremama dokazanim pomoću diferencijalne geometrije mnogostrukosti. Prikaz rezultata teorije dostupan je u knjigama i ovdje ih nećemo ponavljati. Upućujući čitaoca za detalje na monografije i zbirke, kao i na originalne radove i kritike, ograničavamo se na kratko nabrajanje glavnih odredbi koje leže u osnovi modernih ideja o crnim rupama.

Najopštija porodica vakuumskih rješenja Ajnštajnovih jednačina, koja opisuju stacionarna asimptotski ravna prostor-vremena sa nesingularnim horizontom događaja i pravilna su svuda izvan horizonta, ima aksijalnu simetriju i poklapa se sa dvoparametarskom Kerrovom porodicom. Dva nezavisna parametra i a definišu masu i ugaoni moment crne rupe. Teoreme koje podržavaju ovu tvrdnju formulirane su u radovima za nerotirajuću crnu rupu i generalizirane na Kerrovu metriku u . Rješenja Ajnštajnovih nevakuumskih jednačina koje opisuju crne rupe mogu se okarakterisati velikim brojem parametara. Dakle, u slučaju Ajnštajn-Maksvelovog sistema jednačina, navedena svojstva poseduje porodica Kerr-Njumanovih rešenja koja ima četiri parametra gde je električna, magnetna naelektrisanja, jedinstvenost ove porodice dokazana u . Postoje rješenja za Einstein-Yang-Mills sistem jednačina koji opisuju crne rupe koje nose mjerne (boje) naboje, kao i Einstein-Yang-Mills-Higgs sisteme sa spontano narušenom simetrijom, koji opisuju gravitirajuće monopole i dione skrivene ispod horizonta događaja. . U proširenoj supergravitaciji pronađena su rješenja koja opisuju ekstremno nabijene crne rupe sa fermionskom strukturom. Bitno je da su sva navedena rješenja poznata za polja nulte mase, koja ne mogu imati masivna vanjska polja crne rupe.

Kerr-Newman polje

Odlažući raspravu o rješenjima s magnetnim i mjernim nabojem do § 18, razmotrimo detaljnije Kerr-Newmanovo rješenje koje opisuje rotirajući električni naboj.

crna rupa. U Boyer-Lindqvistovim koordinatama kvadrat prostorno-vremenskog intervala ima oblik

gdje je uvedena standardna notacija

4-potencijal (-forma) elektromagnetnog polja, definisan relacijom

jer se ne razlikuje od potencijala tačkastog naboja u prostoru Minkovskog. Dodatni član proporcionalan a poklapa se u prostornoj beskonačnosti sa potencijalom magnetnog dipola. Komponente različite od nule kontravarijantnog metričkog tenzora su

Za Kerr-Newman metriku, postoji trideset Christoffel simbola koji nisu nula, od kojih su dvadeset dva jednaka u paru

gdje je naznačeno

Christoffel simboli su parne funkcije razlike i ne nestaju u ekvatorijalnoj ravni Kerrove metrike. Ostale komponente povezivanja su neparne u odnosu na refleksiju u ravni, gdje poprimaju nulte vrijednosti. Korisno je to imati na umu prilikom rješavanja jednadžbi kretanja čestica.

Nenulte komponente tenzora elektromagnetnog polja jednake su

što odgovara superpoziciji Kulonovog polja i magnetnog dipolnog polja.

Element linije (1) ne zavisi od koordinata, dakle vektora

su Killing vektori koji stvaraju pomake u vremenu i rotacije oko ose simetrije. Vektori ubijanja i nisu ortogonalni jedan prema drugom

Simetrija elektromagnetnog polja u odnosu na transformacije date Killingovim vektorima izražava se jednakošću sa nulom Liejevih derivata 4-potencijala (3) duž vektorskih polja (8),

Vektor vremena je sličan u području ograničenom nejednakosti

i postaje izotropan na površini ergosfere

koji je elipsoid revolucije. Unutar ergosfere vektor je svemirski, ali postoji linearna kombinacija vektora ubijanja

koji je vremenski sličan Killing vektor unutar ergosfere ako je nejednakost

Površina na kojoj se spajaju je horizont događaja, njegov položaj je određen velikim korijenom jednadžbe

gde da nađemo gde

Vrijednost igra ulogu ugaone brzine rotacije horizonta; u skladu sa opštom teoremom, ne zavisi od ugla

Horizont događaja je izotropna hiperpovršina čiji prostorni presjek ima topologiju sfere. Površina dvodimenzionalne površine horizonta izračunava se po formuli

što dovodi do rezultata

Prema Hawkingovoj teoremi, površina horizonta događaja crne rupe uronjene u materijalni medij čiji tenzor energije i impulsa zadovoljava uvjete energetske dominacije ne može se smanjiti. Masa i moment rotacije rupe mogu se pojedinačno smanjivati, dok će se, nakon potpunog gubitka rotacionog momenta, ispostaviti da crna rupa ima masu od najmanje

koja je nazvana "nesmanjiva" masa crne rupe. Zakon neopadanja površine horizonta događaja ima zajedničku prirodu sa zakonom povećanja entropije, može se povezati s gubitkom informacija o stanju materije koje se nalazi ispod horizonta događaja. Da ih crna rupa nema

entropije, onda bi apsorpcija, recimo, zagrijanog gasa u svemiru dovela do smanjenja entropije. Pozivanje na kvantna razmatranja otklanja opasnost od kontradikcije s drugim zakonom termodinamike, jer se ispostavlja da je u kvantnoj gravitaciji entropija crne rupe zaista proporcionalna površini horizonta događaja (21) u jedinicama kvadrat Planckove dužine

Ovo takođe odgovara ranijim proračunima efekta proizvodnje čestica u crnim rupama u okviru poluklasične teorije. Ukupna entropija crne rupe i apsorbirane materije se u ovom slučaju ne smanjuje, jer se masa (i, moguće, rotacijski moment) crne rupe također povećava tijekom apsorpcije, zbog čega se površina površine horizont događaja se povećava. Treba napomenuti da je nazivnik u (23) izuzetno mali, pa se s makroskopskom promjenom područja horizonta entropija crne rupe mijenja za vrlo veliku vrijednost.

Na horizontu događaja, linearna kombinacija komponenti 4-potencijala je konstantna, što ima značenje elektrostatičkog potencijala horizonta za posmatrača koji rotira s horizontom.

Konstantna je i količina koja se naziva "površinska gravitacija" crne rupe, koja je jednaka ubrzanju (u jedinicama koordinatnog vremena) čestice koja miruje na horizontu, u nepromjenjivom obliku

gdje je vektor određen formulom (14). at (tj. je izotropni vektor koji leži na hiperpovršini

Drugi izotropni vektor normalizovan uslovom Za Kerr-Newmanovu metriku, površinska gravitacija horizonta je