היקום חסר הגבולות מלא סודות, חידות ופרדוקסים. למרות שהמדע המודרני עשה קפיצת דרך קדימה בחקר החלל, הרבה בעולם העצום הזה נשאר בלתי מובן לתפיסה האנושית של העולם. אנחנו יודעים הרבה על כוכבים, ערפיליות, אשכולות וכוכבי לכת. עם זאת, במרחב העצום של היקום יש אובייקטים כאלה, את קיומו של דבר שאנחנו יכולים רק לנחש. לדוגמה, אנחנו יודעים מעט מאוד על חורים שחורים. מידע בסיסי וידע על טבעם של חורים שחורים בנויים על הנחות והשערות. אסטרופיסיקאים, מדעני גרעין נאבקים עם הנושא הזה יותר מתריסר שנים. מהו חור שחור בחלל? מהו טבעם של חפצים כאלה?
אם כבר מדברים על חורים שחורים בשפה פשוטה
כדי לדמיין איך נראה חור שחור, די לראות את זנב הרכבת נכנס למנהרה. אורות איתות על המכונית האחרונה כמו הרכבת הולך עמוק לתוך המנהרה יקטן בגודל עד שהם נעלמים לחלוטין מן הנוף. במילים אחרות, אלה הם חפצים שבהם, בשל משיכה מפלצתית, אפילו אור נעלם. חלקיקים יסודיים, אלקטרונים, פרוטונים ופוטונים אינם מסוגלים להתגבר על המחסום הבלתי נראה, הם נופלים אל התהום השחורה של חוסר הקיום, ולכן חור כזה בחלל נקרא שחור. אין בו את האור הקל שבקלים, שחור מוצק ואינסוף. מה נמצא בצד השני של החור השחור אינו ידוע.
לשואב אבק חלל זה יש כוח משיכה עצום והוא מסוגל לספוג גלקסיה שלמה עם כל הצבירים ומעלי הכוכבים של הכוכבים, עם ערפיליות ועם חומר אפל לאתחל. איך זה אפשרי? נותר רק לנחש. חוקי הפיסיקה הידועים לנו במקרה זה מתפרקים בתפרים ואינם מספקים הסבר לתהליכים המתרחשים. המהות של הפרדוקס היא כי בחלק זה של היקום האינטראקציה הכבידתית של הגופים נקבעת על ידי המסה שלהם. תהליך הקליטה על ידי אובייקט אחד של האחר אינו מושפע מהרכב האיכותי והכמותי שלהם. חלקיקים, שהגיעו לכמות קריטית באזור מסוים, נכנסים לרמה נוספת של אינטראקציה, שבה כוחות הכבידה הופכים לכוחות משיכה. הגוף, החפץ, החומר או החומר תחת השפעת כוח הכבידה מתחיל להתכווץ ולהגיע לצפיפות עצומה.
תהליכים כאלה מתרחשים במהלך היווצרות כוכב נויטרונים, שבו החומר הכוכבי תחת השפעת הכבידה הפנימית נדחס בנפח. אלקטרונים חופשיים משלבים עם פרוטונים כדי ליצור חלקיקים ניטרליים חשמלית - נויטרונים. הצפיפות של חומר זה הוא עצום. חלקיק של חומר בגודל של חתיכת סוכר מזוקק יש משקל של מיליארדי טונות. כאן ראוי לזכור את תורת היחסות הכללית, שבה המרחב והזמן הם כמויות מתמשכות. כתוצאה מכך, תהליך דחיסה לא ניתן לעצור באמצע הדרך ולכן אין גבול.
פוטנציאל, חור שחור נראה כמו חור שבו עשוי להיות מעבר מקטע אחד של שטח אחר. בה בעת, מאפייני החלל והזמן עצמם משתנים, מתפתלים למשפך במרחב-זמן. להגיע לתחתית של משפך זה, כל עניין נופל לתוך quanta. מה נמצא בצד השני של החור השחור, החור הענק הזה? אולי יש עוד מקום אחר שבו חלים חוקים אחרים והזמן זורם בכיוון ההפוך.
בהקשר של תורת היחסות, התיאוריה של חור שחור היא כדלקמן. נקודת המרחב, שבה כוחות הכבידה לחצה כל עניין לגודל המיקרוסקופי, יש כוח משיכה אדיר, שגודלו עולה לאינסוף. קפל הזמן מופיע, והחלל כפוף, וסוגר בנקודה אחת. חפצים שנספגים בחור שחור אינם מסוגלים להתנגד לכוחו של שואב אבק מפלצתי זה. אפילו את מהירות האור, אשר quanta להחזיק, אינו מאפשר חלקיקים היסודי להתגבר על כוח המשיכה. כל גוף שהגיע למצב כזה חדל להיות אובייקט מהותי, המתמזג עם הבועה במרחב-זמן.
חורים שחורים במדע
אם אתה שואל, איך חורים שחורים נוצרו? תשובה ברורה לא תהיה. יש הרבה פרדוקסים וסתירות ביקום שלא ניתן להסבירם מנקודת המבט של המדע. תורת היחסות של אינשטיין מאפשרת רק תיאורטית להסביר את טבעם של אובייקטים כאלה, אבל במקרה זה מכניקת הקוונטים והפיזיקה שותקים.
בניסיון להסביר את התהליכים המתרחשים על פי חוקי הפיסיקה, התמונה תיראה כך. האובייקט נוצר כתוצאה מהצטברות הכבידה הכבירה של גוף קוסמי מסיבי או סופר-מאסיבי. לתהליך זה יש שם מדעי - קריסה כבידה. המונח "חור שחור" נשמע לראשונה בקהילה המדעית ב -1968, כאשר האסטרונום והפיסיקאי האמריקאי ג'ון וילר ניסו להסביר את מצב קריסת הכוכבים. לפי התיאוריה שלו, במקום כוכב מסיבי הנתון להתמוטטות כבידתית, מתעוררת כשלון מרחבי וזמני, שבו פעולות הדחיסה ההולכות וגדלות. כל מה שהכוכב עשוי עשוי להיכנס פנימה.
הסבר זה מאפשר לנו להסיק כי טבע החורים השחורים אינו קשור בשום אופן לתהליכים המתרחשים ביקום. כל מה שקורה בתוך אובייקט זה אינו משקף בשום אופן על המרחב הסובב עם אחד "אבל". כוח הכבידה של חור שחור הוא חזק עד כדי כך שהוא מכופף את החלל, מכריח גלקסיות להסתובב סביב חורים שחורים. לפיכך, מתברר הסיבה מדוע גלקסיות לובשות צורה של ספירלות. כמה זמן ייקח לגלקסיה הענקית של שביל החלב להיעלם לתהום של חור שחור סופר-מאסיבי. עובדה מוזרה היא כי חורים שחורים יכולים להתרחש בכל נקודה בחלל החיצון, שבו נוצרים תנאים אידיאליים עבור זה. קיפול כזה של זמן ומרחב מבטל את המהירויות העצומות שבהן הכוכבים מסתובבים ונעים בחלל הגלקסיה. הזמן בתוך חור שחור זורם בממד אחר. בתוך אזור זה, אין חוקי הכבידה ניתן לפרש מנקודת המבט של הפיזיקה. מצב זה נקרא הייחודיות של החור השחור.
חורים שחורים אינם מציגים שום סימני זיהוי חיצוניים, קיומם יכול להישפט על ידי התנהגות של עצמים חלופיים אחרים המושפעים משדות כבידה. כל התמונה של המאבק על החיים והמוות מתרחשת על גבול חור שחור, המכוסה על ידי קרום. זה משטח דמיוני של משפך נקרא "אופק האירוע". כל מה שאנו רואים לגבול זה הוא מוחשי וחומרי.
תרחישי חור שחור
פיתוח התיאוריה של ג 'ון וילר, אנו יכולים להסיק כי סוד החורים השחורים סביר יותר לא בתהליך היווצרותו. היווצרות של חור שחור נובעת מהתמוטטות כוכב נויטרונים. יתר על כן, המסה של אובייקט כזה חייב לחרוג ממסה של השמש שלוש פעמים או יותר. כוכב הנויטרונים מתכווץ עד שהאור שלו אינו מסוגל עוד להשתחרר מחיבוק הכבידה ההדוק. יש גבול גבול לגודל שבו כוכב יכול להתכווץ, ללדת חור שחור. רדיוס זה נקרא רדיוס כבידה. כוכבים מסיביים בשלב הסופי של הפיתוח שלהם צריך רדיוס כבידה של כמה קילומטרים.
כיום, מדענים השיגו ראיות עקיפות לנוכחות של חורים שחורים בתריסר כוכבים בינאריים רנטגן. כוכבי רנטגן, פולסר או בורר אין להם משטח מוצק. יתר על כן, המסה שלהם גדולה יותר מאשר המוני של שלוש השמשות. המצב הנוכחי של החלל החיצוני בקבוצת הכוכבים Cygnus - כוכב הרנטגן Cygnus X-1, מאפשר לעקוב אחר היווצרותם של חפצים מוזרים אלה.
בהתבסס על הנחות מחקריות ותיאורטיות, כיום במדע ישנם ארבעה תרחישים להיווצרות כוכבים שחורים:
- קריסת כבידה של כוכב מסיבי בשלב הסופי של האבולוציה שלו;
- קריסת האזור המרכזי של הגלקסיה;
- היווצרות חורים שחורים בתהליך המפץ הגדול;
- היווצרות חורים שחורים קוונטיים.
התרחיש הראשון הוא הריאליסטי ביותר, אך מספר הכוכבים השחורים שעמם אנו מכירים כיום עולה על מספר כוכבי הנויטרונים הידועים. ועידן היקום אינו כה גדול, עד שכוכבים מסיביים כה רבים יכולים לעבור את התהליך המלא של האבולוציה.
לתרחיש השני יש את הזכות לחיים, ויש דוגמה חיה - החור השחור העל-פעמי "מזל קשת" *, השוכן במרכז הגלקסיה שלנו. המסה של אובייקט זה הוא 3.7 מסה של השמש. המנגנון של תרחיש זה דומה לתרחיש של קריסת כבידה עם ההבדל היחיד שגז בינכוכבי, ולא כוכב, נתון לקריסה. תחת השפעת כוחות הכבידה, הגז דחוס למסה קריטית וצפיפות. ברגע קריטי, החומר מתפורר לתוך Quanta, ויצרו חור שחור. עם זאת, תיאוריה זו מוטלת בספק, שכן לאחרונה אסטרונומים באוניברסיטת קולומביה זיהו את החורים השחורים לווינים A * לוויינים. התברר שהם הרבה חורים שחורים קטנים, שכנראה נוצרו בדרך אחרת.
התרחיש השלישי הוא תיאורטי יותר והוא קשור לקיומה של תיאוריית המפץ הגדול. בעת היווצרות היקום, חלק משדות החומר וכוח הכבידה עבר תנודות. במילים אחרות, התהליכים הלכו בדרך אחרת, לא קשורים לתהליכים הידועים של מכניקת הקוונטים ופיזיקה גרעינית.
התרחיש האחרון מתמקד בפיזיקה של פיצוץ גרעיני. בקרישי חומר בתהליך התגובות הגרעיניות בהשפעת כוחות הכבידה, מתרחש פיצוץ, ובמקום זה נוצר חור שחור. החומר מתפוצץ פנימה, סופג את כל החלקיקים.
קיומם ואבולוציה של חורים שחורים
לאחר רעיון משוער של הטבע של אובייקטים חלל מוזר כזה, משהו אחר מעניין. מה הם הממדים האמיתיים של חורים שחורים, כמה מהר הם גדלים? הגדלים של חורים שחורים נקבעים על ידי רדיוס הכבידה שלהם. עבור חורים שחורים, הרדיוס של חור שחור נקבע על ידי המסה שלו והוא נקרא רדיוס שוורצשילד. לדוגמה, אם לאובייקט יש מסה השווה למסה של הפלנטה שלנו, הרי רדיוס שוורצשילד במקרה זה הוא 9 מ"מ. הגוף העיקרי שלנו יש רדיוס של 3 ק"מ. הצפיפות הממוצעת של חור שחור שנוצר במקום של כוכב עם מסה של 10⁸ של המונית של השמש יהיה קרוב לצפיפות של מים. הרדיוס של חינוך כזה יהיה 300 מיליון ק"מ.
סביר להניח כי חורים שחורים ענקיים אלה ממוקמים במרכז הגלקסיות. עד כה ידועים 50 גלקסיות, שבמרכזן בארות זמניות ומרחביות ענקיות. המסה של ענקים כאלה היא מיליארדים המסה של השמש. אפשר רק לדמיין איזה כוח משיכה עצום ומפלצתי יש חור כזה.
באשר לחורים קטנים, אלה הם מיני אובייקטים שהרדיוס שלהם מגיע לערכים לא משמעותיים, רק 10 ¹ ² ס"מ המסה של פירור כזה הוא 10 גרם. תצורות כאלה התעוררו בזמן המפץ הגדול, אולם עם הזמן הם גדלו בגודל והיום להתהדר בחלל החיצון כמו מפלצות. התנאים שבהם היווצרות של חורים שחורים קטנים התרחש, מדענים כיום מנסים לשחזר בתנאים יבשתיים. למטרות אלה, הניסויים מתבצעים על קולוני האלקטרון, שדרכו החלקיקים היסודיים מואצים במהירות האור. הניסויים הראשונים אפשרו להשיג בתנאי מעבדה פלסמה קווארק-גלואון - חומר, שהיה קיים עם שחר של היווצרות היקום. ניסויים כאלה מציעים כי חור שחור על כדור הארץ הוא עניין של זמן. דבר נוסף הוא אם הישג כזה של המדע האנושי יהפוך קטסטרופה לנו ולפלנטה שלנו. על ידי יצירת חור שחור מלאכותי, אנו יכולים לפתוח את תיבת פנדורה.
תצפיות אחרונות של גלקסיות אחרות אפשרו למדענים לגלות חורים שחורים, שגודלם עולה על כל הציפיות וההנחות שאפשר להעלות על הדעת. האבולוציה המתרחשת עם אובייקטים כאלה מאפשרת לנו להבין טוב יותר כיצד מסת חורים שחורים גדל, מה המגבלה האמיתית שלה. מדענים הגיעו למסקנה כי כל החורים השחורים ידועים גדלו לגודל האמיתי שלהם בתוך 13-14 מיליארד שנים. ההבדל בגודל נובע הצפיפות של החלל שמסביב. אם חור שחור יש מספיק מזון בהישג יד של כוח הכבידה, הוא גדל כמו שמרים, להגיע המוני של מאות ואלפי המוני השמש. מכאן הממדים הענקיים של אובייקטים כאלה הממוקמים במרכז הגלקסיות. אשכול מסיבי של כוכבים, המוני ענק של גז בין כוכבי הם מזון בשפע לצמיחה. כאשר הגלקסיות מתמזגות, חורים שחורים יכולים להתמזג יחד, ליצור אובייקט סופר-מאסיבי חדש.
אם לשפוט על פי הניתוח של תהליכים אבולוציוניים, נהוג להבחין בין שני סוגים של חורים שחורים:
- אובייקטים בעלי מסה של פי 10 ממסת השמש;
- אובייקטים מסיביים, המסה של מאות אלפי, מיליארדי מסות שמש.
ישנם חורים שחורים עם מסה בינונית ממוצעת של 100-10 אלף מסה של השמש, אבל טבעם עדיין לא ידוע. יש בערך אובייקט אחד לכל גלקסיה. המחקר של כוכבי רנטגן איפשר למצוא שני חורים שחורים בינוניים בבת אחת, במרחק של 12 מיליון שנות אור בגלקסיה M82. המסה של אובייקט אחד משתנה בטווח של 200-800 מסות שמש. אובייקט נוסף הוא הרבה יותר גדול ויש לו מסה של 10-40 אלף השמש המסות. גורלם של חפצים כאלה מעניין. הם ממוקמים ליד אשכולות כוכבים, בהדרגה למשוך את עצמם אל חור שחור סופר מאסיבי הממוקם בחלק המרכזי של הגלקסיה.
הכוכב שלנו וחורים שחורים
למרות החיפוש אחר רמז על טבעם של חורים שחורים, העולם המדעי מודאג לגבי מקומו ותפקידו של החור השחור בגורל גלקסיית שביל החלב, ובמיוחד בגורלו של כדור הארץ. קפל הזמן והמרחב שקיים במרכז שביל החלב סופג בהדרגה את כל החפצים הקיימים בסביבה. מיליוני כוכבים וטריליוני טונות של גז בינכוכבי כבר נקלטו לתוך החור השחור. עם הזמן, הקו יגיע לזרועות של Cygnus ו Sagittarius, שבו מערכת השמש ממוקם, לאחר שנסע מרחק של 27 אלף שנות אור.
עוד חור שחור סופר מאסיבי נמצא בחלק המרכזי של גלקסיית אנדרומדה. זה במרחק של כ -2.5 מיליון שנות אור מאיתנו. קרוב לוודאי, עד שאובייקט מזל קשת A * בולע את הגלקסיה שלו, עלינו לצפות למיזוג של שתי גלקסיות שכנות. לפיכך, מיזוג של שני חורים שחורים סופר-מאסיביים לתוך אחד שלם, נורא ומפלצתי בגודלו, יתרחש.
דבר אחר לגמרי - חורים שחורים קטנים. לספוג את כדור הארץ הוא די חור שחור עם רדיוס של כמה סנטימטרים. הבעיה היא, מטבע הדברים, חור שחור הוא חפץ חסר פנים לחלוטין. אין קרינה או קרינה נובעת מרחם, ולכן זה די קשה להבחין אובייקט מסתורי כזה. רק בטווח קרוב אנו יכולים לזהות עקמומיות של אור הרקע, המציין כי יש חור בחלל באזור זה של היקום.
עד כה, מדענים גילו כי החור השחור הקרוב ביותר לכדור הארץ הוא אובייקט V616 Monocerotis. המפלצת ממוקמת 3000 שנות אור מהמערכת שלנו. בגודלו, זהו מבנה גדול, המסה שלו היא 9-13 המסה השמש. עוד חפץ קרוב המאיים על העולם שלנו הוא חור שחור Gygnus X-1. עם מפלצת זו אנו מופרדים על ידי מרחק של 6000 שנות אור. חורים שחורים שזוהו בשכונה שלנו הם חלק מהמערכת הבינארית, כלומר. קיימים בקרבת מקום לכוכב שמזין את האובייקט שאינו יודע שובע.
מסקנה
עצם הקיום בחלל של חפצים מסתוריים ומסתוריים כמו חורים שחורים, כמובן, מאלץ אותנו להיות על השומר. עם זאת, כל מה שקורה עם חורים שחורים קורה לעתים רחוקות למדי, אם ניקח בחשבון את הגיל של היקום מרחקים עצומים. במשך 4.5 מיליארד שנים, מערכת השמש נמצאת במצב של מנוחה, הקיים על פי חוקים הידועים לנו. במהלך תקופה זו, שום דבר מהסוג לא הופיע, וגם לא את החלל מעוות או את קפלי הזמן ליד מערכת השמש. אין כנראה תנאים מתאימים לכך. החלק הזה של שביל החלב, שבו מתגוררת מערכת הכוכבים של השמש, הוא חלק רגוע ויציב של החלל.
מדענים מניחים את הרעיון כי המראה של חורים שחורים אינו מקרי. אובייקטים כאלה מבצעים ביקום את תפקידם של הסדרים המשמידים את עודפי הגופים הקוסמיים. באשר לגורלם של המפלצות עצמן, האבולוציה שלהם עדיין לא הבינה במלואה. Существует версия, что черные дыры не вечны и на определенном этапе могут прекратить свое существование. Уже ни для кого не секрет, что такие объекты представляют собой мощнейшие источники энергии. Какая это энергия и в чем она измеряется - это другое дело.
Стараниями Стивена Хокинга науке была предъявлена теория о то, что черная дыра все-таки излучает энергию, теряя свою массу. В своих предположениях ученый руководствовался теорией относительности, где все процессы взаимосвязаны друг с другом. Ничего просто так не исчезает, не появившись в другом месте. Любая материя может трансформироваться в другую субстанцию, при этом один вид энергии переходит на другой энергетический уровень. Так, может быть, обстоит дело и с черными дырами, которые являются переходным порталом, из одного состояния в другое.
