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I buchi neri sono sempre stati uno degli oggetti di osservazione più interessanti da parte degli scienziati. Essendo gli oggetti più grandi situati nell'Universo, sono allo stesso tempo inaccessibili e inaccessibili all'umanità al massimo. Ci vorrà molto tempo prima di conoscere i processi che avvengono vicino al “punto di non ritorno”. Cos’è un buco nero da un punto di vista scientifico?

Parliamo di quei fatti che tuttavia sono diventati noti ai ricercatori come risultato di un lungo lavoro...

1. I buchi neri non sono realmente neri.

Poiché i buchi neri emettono onde elettromagnetiche, potrebbero non sembrare neri, ma al contrario piuttosto multicolori. E sembra piuttosto impressionante.

2. I buchi neri non assorbono materia.

C'è uno stereotipo tra i comuni mortali secondo cui un buco nero è un enorme aspirapolvere che trascina in sé lo spazio circostante. Non facciamo i cretini e cerchiamo di capire di cosa si tratta realmente.

In generale (senza entrare nella complessità fisica quantistica e ricerca astronomica) un buco nero può essere immaginato come un oggetto cosmico con un campo gravitazionale notevolmente aumentato. Ad esempio, se al posto del Sole ci fosse un buco nero delle stesse dimensioni, allora... non accadrebbe nulla e il nostro pianeta continuerebbe a ruotare sulla stessa orbita. I buchi neri “assorbono” solo parti della materia stellare sotto forma di vento stellare, che è inerente a qualsiasi stella.

3. I buchi neri possono dare vita a nuovi universi

Naturalmente, questo fatto sembra uscito dalla fantascienza, soprattutto perché non ci sono prove dell'esistenza di altri universi. Tuttavia, gli scienziati stanno studiando tali teorie abbastanza da vicino.

Se parliamo in un linguaggio semplice, allora se anche una sola costante fisica nel nostro mondo cambiasse di una piccola quantità, perderemmo la possibilità di esistere. La singolarità dei buchi neri annulla le consuete leggi della fisica e può (secondo almeno, in teoria) per dare vita ad un nuovo universo, diverso in un modo o nell'altro dal nostro.

4. I buchi neri evaporano nel tempo

Come accennato in precedenza, i buchi neri assorbono il vento stellare. Inoltre, evaporano lentamente ma inesorabilmente, cioè cedono la loro massa nello spazio circostante, per poi scomparire completamente. Questo fenomeno fu scoperto nel 1974 e chiamato radiazione di Hawking, in onore di Stephen Hawking, che fece questa scoperta al mondo.

5. La risposta alla domanda "cos'è un buco nero" è stata prevista da Karl Schwarzschild

Come sapete, l'autore della teoria della relatività associata è Albert Einstein. Ma lo scienziato non prestò sufficiente attenzione allo studio dei corpi celesti, sebbene la sua teoria potesse e, inoltre, prevedesse l'esistenza dei buchi neri. Pertanto, Karl Schwarzschild divenne il primo scienziato a utilizzarlo teoria generale relatività per giustificare l’esistenza di un “punto di non ritorno”.

Un fatto interessante è che ciò accadde nel 1915, subito dopo che Einstein pubblicò la sua teoria generale della relatività. Fu allora che nacque il termine "raggio di Schwarzschild": in parole povere, questa è la quantità di forza con cui un oggetto deve essere compresso affinché si trasformi in un buco nero. Tuttavia, questo non è un compito facile. Scopriamo perché.

Il fatto è che, in teoria, qualsiasi corpo può diventare un buco nero, ma solo se sottoposto a un certo grado di compressione. Ad esempio, un frutto di arachidi potrebbe diventare un buco nero se avesse la massa del pianeta Terra...

Fatto interessante: i buchi neri sono gli unici corpi cosmici nel loro genere che hanno la capacità di attirare la luce attraverso la gravità.

6. I buchi neri piegano lo spazio attorno a loro

Immaginiamo l'intero spazio dell'universo sotto forma di un disco in vinile. Se ci metti sopra un oggetto caldo, cambierà forma. La stessa cosa accade con i buchi neri. La loro massa estrema attrae tutto, compresi i raggi di luce, facendo piegare lo spazio attorno a loro.

7. I buchi neri limitano il numero di stelle nell'Universo

….Dopo tutto, se le stelle si illuminano -

Significa che qualcuno ne ha bisogno?

V.V. Majakovskij

Tipicamente, le stelle completamente formate sono una nube di gas raffreddati. La radiazione dei buchi neri impedisce il raffreddamento delle nubi di gas e quindi impedisce la formazione di stelle.

8. I buchi neri sono i sistemi energetici più avanzati

I buchi neri producono più energia del Sole e delle altre stelle. La ragione di ciò è la questione che lo circonda. Quando la materia oltrepassa l'orizzonte degli eventi ad alta velocità, si riscalda al massimo nell'orbita di un buco nero alta temperatura. Questo fenomeno è chiamato radiazione del corpo nero.

Fatto interessante: nel processo di fusione nucleare lo 0,7% della materia diventa energia. Vicino ad un buco nero, il 10% della materia viene convertito in energia!

9. Cosa succede se cadi in un buco nero?

I buchi neri “allungano” i corpi accanto a loro. Come risultato di questo processo, gli oggetti iniziano ad assomigliare agli spaghetti (c'è anche termine speciale- “spaghettificazione” =).

Sebbene questo fatto possa sembrare comico, c'è una spiegazione. Ciò accade grazie a principio fisico forze di attrazione. Prendiamo come esempio il corpo umano. Mentre siamo a terra, i nostri piedi sono più vicini al centro della Terra rispetto alle nostre teste, quindi sono attratti più fortemente. Sulla superficie di un buco nero, le gambe sono attratte dal centro del buco nero molto più velocemente, e quindi parte in alto il corpo semplicemente non riesce a tenere il passo con loro. Risultato: spaghettificazione!

10. In teoria, qualsiasi oggetto può diventare un buco nero

E anche il Sole. L'unica cosa che impedisce al sole di trasformarsi assolutamente corpo nero- la forza di gravità. Al centro di un buco nero è molte volte più forte che al centro del Sole. IN in questo caso, se la nostra stella fosse compressa fino a quattro chilometri di diametro, potrebbe benissimo diventare un buco nero (a causa della sua grande massa).

Ma questo è in teoria. In pratica, è noto che i buchi neri compaiono solo a seguito del collasso di stelle ultragrandi che superano la massa del Sole di 25-30 volte.

11.I buchi neri rallentano il tempo vicino a loro

La tesi principale di questo fatto è che man mano che ci avviciniamo all’orizzonte degli eventi, il tempo rallenta. Questo fenomeno può essere illustrato utilizzando il “paradosso dei gemelli”, spesso utilizzato per spiegare la teoria della relatività.

L'idea principale è che uno dei fratelli gemelli voli nello spazio e il secondo rimanga sulla Terra. Tornando a casa, il gemello scopre che suo fratello è invecchiato più di lui, poiché quando si muove a una velocità vicina a quella della luce, il tempo comincia a trascorrere più lentamente.

A causa della crescita relativamente recente dell'interesse per la creazione di film scientifici popolari sul tema dell'esplorazione spaziale, gli spettatori moderni hanno sentito molto parlare di fenomeni come la singolarità o il buco nero. Tuttavia, i film ovviamente non rivelano la piena natura di questi fenomeni e talvolta addirittura distorcono le teorie scientifiche costruite per ottenere un effetto maggiore. Per questo motivo la rappresentanza di molti persone moderne riguardo a questi fenomeni è del tutto superficiale o del tutto errato. Una delle soluzioni al problema che si è presentato è questo articolo, in cui cercheremo di comprendere i risultati della ricerca esistente e di rispondere alla domanda: cos'è un buco nero?

Nel 1784, il prete e naturalista inglese John Michell menzionò per la prima volta in una lettera alla Royal Society un ipotetico corpo massiccio che ha un'attrazione gravitazionale così forte che la sua seconda velocità di fuga supererà la velocità della luce. La seconda velocità di fuga è la velocità di cui avrà bisogno un oggetto relativamente piccolo per superare l'attrazione gravitazionale di un corpo celeste e andare oltre l'orbita chiusa attorno a questo corpo. Secondo i suoi calcoli, un corpo con la densità del Sole e un raggio di 500 raggi solari avrà sulla sua superficie una seconda velocità cosmica pari alla velocità della luce. In questo caso, anche la luce non lascerà la superficie di un tale corpo, e quindi questo corpo assorbirà solo la luce in entrata e rimarrà invisibile all'osservatore - una sorta di macchia nera sullo sfondo dello spazio buio.

Tuttavia, il concetto di Michell di un corpo supermassiccio non suscitò molto interesse fino al lavoro di Einstein. Ricordiamo che quest'ultimo definiva la velocità della luce come la velocità massima di trasferimento delle informazioni. Inoltre, Einstein estese la teoria della gravità a velocità vicine alla velocità della luce (). Di conseguenza, non era più rilevante applicare la teoria newtoniana ai buchi neri.

L'equazione di Einstein

Come risultato dell'applicazione della relatività generale ai buchi neri e della risoluzione delle equazioni di Einstein, sono stati identificati i parametri principali di un buco nero, di cui ce ne sono solo tre: massa, carica elettrica e momento angolare. Da segnalare il significativo contributo dell’astrofisico indiano Subramanian Chandrasekhar, che ha realizzato la fondamentale monografia: “Mathematical Theory of Black Holes”.

Pertanto, la soluzione alle equazioni di Einstein è presentata in quattro opzioni per quattro possibili tipi di buchi neri:

• BH senza rotazione e senza addebito – soluzione Schwarzschild. Una delle prime descrizioni di un buco nero (1916) utilizzando le equazioni di Einstein, ma senza tenere conto di due dei tre parametri del corpo. La soluzione del fisico tedesco Karl Schwarzschild permette di calcolare il campo gravitazionale esterno di un corpo massiccio sferico. La particolarità del concetto di buco nero dello scienziato tedesco è la presenza di un orizzonte degli eventi e il nascondersi dietro di esso. Schwarzschild fu anche il primo a calcolare il raggio gravitazionale, che prese il suo nome, che determina il raggio della sfera su cui si troverebbe l'orizzonte degli eventi per un corpo con una determinata massa.
• BH senza rotazione con carica – soluzione Reisner-Nordström. Una soluzione avanzata nel 1916-1918, tenendo conto della possibile carica elettrica di un buco nero. Questa carica non può essere arbitrariamente grande ed è limitata a causa della risultante repulsione elettrica. Quest'ultima deve essere compensata dall'attrazione gravitazionale.
• BH con rotazione e senza carica - soluzione di Kerr (1963). Un buco nero di Kerr rotante differisce da uno statico per la presenza della cosiddetta ergosfera (leggi di più su questo e altri componenti del buco nero).
• BH con rotazione e carica - soluzione Kerr-Newman. Questa soluzione è stata calcolata nel 1965 ed è attualmente la più completa, poiché tiene conto di tutti e tre i parametri del buco nero. Tuttavia, si presume ancora che in natura i buchi neri abbiano una carica insignificante.

Formazione del buco nero

Esistono diverse teorie su come si forma e appare un buco nero, la più famosa delle quali è che nasce dal collasso gravitazionale di una stella con massa sufficiente. Tale compressione può porre fine all'evoluzione delle stelle con una massa superiore a tre masse solari. Al completamento delle reazioni termonucleari all'interno di tali stelle, iniziano a comprimersi rapidamente in superdense. Se la pressione del gas di una stella di neutroni non può compensare le forze gravitazionali, cioè la massa della stella supera la cosiddetta. Limite di Oppenheimer-Volkoff, il collasso continua, con la conseguenza che la materia viene compressa in un buco nero.

Il secondo scenario che descrive la nascita di un buco nero è la compressione del gas protogalattico, cioè il gas interstellare nella fase di trasformazione in una galassia o in una sorta di ammasso. Se la pressione interna non è sufficiente per compensare le stesse forze gravitazionali, potrebbe formarsi un buco nero.

Restano ipotetici altri due scenari:

• Il verificarsi di un buco nero come risultato del cosiddetto buchi neri primordiali.
• Evento a seguito di reazioni nucleari che si verificano durante alte energie. Un esempio di tali reazioni sono gli esperimenti sui collisori.

Struttura e fisica dei buchi neri

La struttura di un buco nero secondo Schwarzschild comprende solo due elementi menzionati prima: la singolarità e l'orizzonte degli eventi del buco nero. Parlando brevemente della singolarità, si può notare che è impossibile tracciare una linea retta che la attraversa, e anche che al suo interno la maggior parte delle strutture esistenti teorie fisiche non funziona. Pertanto, la fisica della singolarità rimane oggi un mistero per gli scienziati. un buco nero è un certo confine, oltrepassando il quale un oggetto fisico perde la possibilità di tornare oltre i suoi limiti e “cadrà” definitivamente nella singolarità del buco nero.

La struttura di un buco nero diventa un po' più complicata nel caso della soluzione di Kerr, cioè in presenza di rotazione del buco nero. La soluzione di Kerr presuppone che il buco abbia un'ergosfera. L'ergosfera è una certa regione situata al di fuori dell'orizzonte degli eventi, all'interno della quale tutti i corpi si muovono nella direzione di rotazione del buco nero. Quest'area non è ancora entusiasmante ed è possibile abbandonarlo, a differenza dell’orizzonte degli eventi. L'ergosfera è probabilmente una sorta di analogo di un disco di accrescimento, che rappresenta la materia rotante attorno a corpi massicci. Se un buco nero statico di Schwarzschild è rappresentato come una sfera nera, allora il buco nero di Kerry, a causa della presenza di un'ergosfera, ha la forma di un ellissoide oblato, nella forma del quale spesso vedevamo i buchi neri nei disegni, nei vecchi film o videogiochi.

• Quanto pesa un buco nero? - Il più grande materiale teorico sull'emergere di un buco nero è disponibile lo scenario della sua apparizione a seguito del collasso di una stella. In questo caso, la massa massima di una stella di neutroni e la massa minima di un buco nero sono determinate dal limite Oppenheimer - Volkoff, secondo il quale il limite inferiore della massa di un buco nero è 2,5 - 3 masse solari. Il buco nero più pesante scoperto (nella galassia NGC 4889) ha una massa di 21 miliardi di masse solari. Tuttavia, non dovremmo dimenticare i buchi neri che ipoteticamente si formano a seguito di reazioni nucleari ad alte energie, come quelle dei collisori. La massa di tali buchi neri quantistici, in altre parole “buchi neri di Planck”, è dell’ordine di grandezza, vale a dire 2·10−5 g.
• Dimensioni del buco nero. Il raggio minimo di un buco nero può essere calcolato dalla massa minima (2,5 – 3 masse solari). Se il raggio gravitazionale del Sole, cioè l'area in cui si troverebbe l'orizzonte degli eventi, è di circa 2,95 km, allora il raggio minimo di un buco nero di 3 masse solari sarà di circa nove chilometri. Dimensioni così relativamente piccole sono difficili da comprendere quando parliamo di oggetti massicci che attraggono tutto ciò che li circonda. Tuttavia, per i buchi neri quantistici il raggio è 10 −35 m.
• La densità media di un buco nero dipende da due parametri: massa e raggio. La densità di un buco nero con una massa di circa tre masse solari è di circa 6 10 26 kg/m³, mentre la densità dell'acqua è di 1000 kg/m³. Tuttavia, gli scienziati non hanno trovato buchi neri così piccoli. La maggior parte dei buchi neri rilevati ha masse superiori a 10 5 masse solari. Esiste uno schema interessante secondo il quale quanto più massiccio è il buco nero, tanto minore è la sua densità. In questo caso, una variazione di massa di 11 ordini di grandezza comporta una variazione di densità di 22 ordini di grandezza. Pertanto, un buco nero con una massa di 1·10 9 masse solari ha una densità di 18,5 kg/m³, che è una densità inferiore a quella dell'oro. E i buchi neri con una massa superiore a 10 10 masse solari possono avere una densità media inferiore a quella dell'aria. Sulla base di questi calcoli, è logico supporre che la formazione di un buco nero non avvenga a causa della compressione della materia, ma come risultato dell'accumulo di una grande quantità di materia in un certo volume. Nel caso dei buchi neri quantistici, la loro densità può essere di circa 10 94 kg/m³.
• La temperatura di un buco nero dipende anche inversamente dalla sua massa. Questa temperatura direttamente correlato a. Lo spettro di questa radiazione coincide con lo spettro di un corpo assolutamente nero, cioè un corpo che assorbe tutta la radiazione incidente. Lo spettro di radiazione di un corpo assolutamente nero dipende solo dalla sua temperatura, quindi la temperatura del buco nero può essere determinata dallo spettro di radiazione di Hawking. Come accennato in precedenza, questa radiazione è tanto più potente quanto più piccolo è il buco nero. Allo stesso tempo, la radiazione di Hawking rimane ipotetica, poiché non è stata ancora osservata dagli astronomi. Ne consegue che se esiste la radiazione di Hawking, la temperatura dei buchi neri osservati è così bassa da non consentire il rilevamento di questa radiazione. Secondo i calcoli, anche la temperatura di un buco con una massa dell'ordine di quella del Sole è trascurabile (1·10 -7 K o -272°C). La temperatura dei buchi neri quantistici può raggiungere circa 10 12 K e con la loro rapida evaporazione (circa 1,5 minuti), tali buchi neri possono emettere energia dell'ordine di dieci milioni bombe atomiche. Ma, fortunatamente, per creare tali ipotetici oggetti occorrerebbe un'energia 10 14 volte maggiore di quella ottenuta oggi al Large Hadron Collider. Inoltre, tali fenomeni non sono mai stati osservati dagli astronomi.

In cosa consiste un buco nero?

Un'altra domanda preoccupa sia gli scienziati che coloro che sono semplicemente interessati all'astrofisica: in cosa consiste un buco nero? Non esiste una risposta chiara a questa domanda, poiché non è possibile guardare oltre l’orizzonte degli eventi che circonda un buco nero. Inoltre, come accennato in precedenza, i modelli teorici di un buco nero prevedono solo 3 delle sue componenti: l'ergosfera, l'orizzonte degli eventi e la singolarità. È logico supporre che nell'ergosfera ci siano solo quegli oggetti che sono stati attratti dal buco nero e che ora ruotano attorno ad esso - vari tipi corpi cosmici e gas cosmico. L'orizzonte degli eventi è solo un sottile confine implicito, una volta oltre il quale gli stessi corpi cosmici sono irrevocabilmente attratti verso l'ultima componente principale del buco nero: la singolarità. La natura della singolarità non è stata studiata oggi ed è troppo presto per parlare della sua composizione.

Secondo alcune ipotesi, un buco nero può essere costituito da neutroni. Se seguiamo lo scenario della comparsa di un buco nero a seguito della compressione di una stella in una stella di neutroni con la sua successiva compressione, allora probabilmente la parte principale del buco nero è costituita da neutroni, di cui è la stessa stella di neutroni composto. In parole semplici: Quando una stella collassa, i suoi atomi vengono compressi in modo tale che gli elettroni si combinano con i protoni, formando così neutroni. Una reazione simile avviene effettivamente in natura e con la formazione di un neutrone si verifica la radiazione di neutrini. Tuttavia, queste sono solo supposizioni.

Cosa succede se cadi in un buco nero?

Cadere in un buco nero astrofisico provoca l'allungamento del corpo. Consideriamo un ipotetico cosmonauta suicida che si dirige verso un buco nero indossando solo una tuta spaziale, con i piedi prima. Attraversando l'orizzonte degli eventi, l'astronauta non noterà alcun cambiamento, nonostante non abbia più la possibilità di tornare indietro. Ad un certo punto, l'astronauta raggiungerà un punto (leggermente dietro l'orizzonte degli eventi) in cui inizierà a verificarsi la deformazione del suo corpo. Poiché il campo gravitazionale di un buco nero non è uniforme ed è rappresentato da un gradiente di forza crescente verso il centro, le gambe dell’astronauta saranno soggette a un’influenza gravitazionale notevolmente maggiore rispetto, ad esempio, alla testa. Quindi, a causa della gravità, o meglio delle forze di marea, le gambe “cadranno” più velocemente. Pertanto, il corpo inizia ad allungarsi gradualmente in lunghezza. Per descrivere questo fenomeno, gli astrofisici hanno inventato un termine piuttosto creativo: spaghettificazione. Un ulteriore allungamento del corpo probabilmente lo decomporrà in atomi che, prima o poi, raggiungeranno una singolarità. Si può solo immaginare come si sentirà una persona in questa situazione. Vale la pena notare che l'effetto dello stiramento di un corpo è inversamente proporzionale alla massa del buco nero. Cioè, se un buco nero con la massa di tre Soli allunga/lacera istantaneamente il corpo, allora il buco nero supermassiccio avrà forze mareali inferiori e ci sono suggerimenti che alcuni materiali fisici potrebbero “tollerare” tale deformazione senza perdere la loro struttura.

Come sapete, il tempo scorre più lentamente vicino a oggetti massicci, il che significa che il tempo per un astronauta kamikaze scorrerà molto più lentamente che per i terrestri. In questo caso, forse sopravviverà non solo ai suoi amici, ma anche alla Terra stessa. Per determinare quanto tempo rallenterà un astronauta, saranno necessari dei calcoli, ma da quanto sopra si può presumere che l'astronauta cadrà nel buco nero molto lentamente e, forse, semplicemente non vivrà abbastanza per vedere il momento in cui il suo il corpo comincia a deformarsi.

È interessante notare che per un osservatore dall'esterno, tutti i corpi che volano verso l'orizzonte degli eventi rimarranno sul bordo di questo orizzonte finché la loro immagine non scompare. La ragione di questo fenomeno è lo spostamento verso il rosso gravitazionale. Semplificando un po', possiamo dire che la luce che cade sul corpo di un cosmonauta suicida “congelato” all'orizzonte degli eventi cambierà la sua frequenza a causa del suo tempo rallentato. Perché il tempo scorre più lentamente, la frequenza della luce diminuirà e la lunghezza d'onda aumenterà. Come risultato di questo fenomeno, in uscita, cioè per un osservatore esterno, la luce si sposterà gradualmente verso la bassa frequenza: il rosso. Avrà luogo uno spostamento della luce lungo lo spettro, man mano che il cosmonauta suicida si allontana sempre più dall'osservatore, anche se in modo quasi impercettibile, e il suo tempo scorre sempre più lentamente. Pertanto, la luce riflessa dal suo corpo andrà presto oltre lo spettro visibile (l'immagine scomparirà), e in futuro il corpo dell'astronauta potrà essere rilevato solo nella regione della radiazione infrarossa, poi nella radiofrequenza, e di conseguenza le radiazioni saranno completamente sfuggenti.

Nonostante quanto sopra, si presume che nei buchi neri supermassicci molto grandi, le forze di marea non cambino molto con la distanza e agiscano quasi uniformemente sul corpo in caduta. In questo caso, caduta navicella spaziale manterrebbe la sua struttura. Sorge una domanda ragionevole: dove conduce il buco nero? A questa domanda si può rispondere grazie al lavoro di alcuni scienziati, che collegano due fenomeni come i wormhole e i buchi neri.

Già nel 1935, Albert Einstein e Nathan Rosen avanzarono un'ipotesi sull'esistenza dei cosiddetti wormhole, che collegano due punti dello spazio-tempo attraverso luoghi di curvatura significativa di quest'ultimo: un ponte Einstein-Rosen o wormhole. Per una curvatura dello spazio così potente sarebbero necessari corpi con una massa gigantesca, il cui ruolo sarebbe perfettamente svolto dai buchi neri.

Il ponte Einstein-Rosen è considerato un wormhole invalicabile perché di piccole dimensioni e instabile.

Un wormhole attraversabile è possibile nell’ambito della teoria dei buchi bianchi e neri. Dove il buco bianco è l'output delle informazioni intrappolate nel buco nero. Il buco bianco è descritto nel quadro della relatività generale, ma oggi rimane ipotetico e non è stato scoperto. Un altro modello di wormhole è stato proposto dagli scienziati americani Kip Thorne e dal suo studente laureato Mike Morris, che può essere passabile. Tuttavia, sia nel caso del wormhole Morris-Thorne che nel caso dei buchi bianchi e neri, la possibilità di viaggiare richiede l'esistenza della cosiddetta materia esotica, che possiede energia negativa e resta anch'essa ipotetica.

Buchi neri nell'Universo

L'esistenza dei buchi neri è stata confermata relativamente di recente (settembre 2015), ma prima di allora esisteva già molto materiale teorico sulla natura dei buchi neri, così come molti oggetti candidati al ruolo di buco nero. Prima di tutto, dovresti prendere in considerazione le dimensioni del buco nero, poiché la natura stessa del fenomeno dipende da loro:

• Buco nero di massa stellare. Tali oggetti si formano a seguito del collasso di una stella. Come accennato in precedenza, la massa minima di un corpo capace di formare un simile buco nero è di 2,5 - 3 masse solari.
• Buchi neri di massa intermedia. Un tipo intermedio condizionale di buco nero che è cresciuto a causa dell'assorbimento di oggetti vicini, come un ammasso di gas, una stella vicina (in sistemi di due stelle) e altri corpi cosmici.
• Buco nero supermassiccio. Oggetti compatti con 10 5 -10 10 masse solari. Le proprietà distintive di tali buchi neri sono la loro densità paradossalmente bassa, così come le deboli forze di marea, menzionate in precedenza. Questo è esattamente il buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea (Sagittarius A*, Sgr A*), così come la maggior parte delle altre galassie.

I candidati per il ChD

Il buco nero più vicino, o meglio un candidato al ruolo di buco nero, è un oggetto (V616 Monoceros), che si trova a una distanza di 3000 anni luce dal Sole (nella nostra galassia). È costituito da due componenti: una stella con una massa pari alla metà della massa del Sole, nonché un piccolo corpo invisibile la cui massa è di 3-5 masse solari. Se questo oggetto risulta essere un piccolo buco nero di massa stellare, diventerà giustamente il buco nero più vicino.

Dopo questo oggetto, il secondo buco nero più vicino è l'oggetto Cygnus X-1 (Cyg X-1), che era il primo candidato al ruolo di buco nero. La distanza è di circa 6070 anni luce. Abbastanza ben studiato: ha una massa di 14,8 masse solari e un raggio dell'orizzonte degli eventi di circa 26 km.

Secondo alcune fonti, un altro candidato più vicino al ruolo di buco nero potrebbe essere un corpo nel sistema stellare V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), che, secondo le stime del 1999, si trovava a una distanza di 1600 anni luce. Tuttavia, studi successivi hanno aumentato questa distanza di almeno 15 volte.

Quanti buchi neri ci sono nella nostra galassia?

Non esiste una risposta esatta a questa domanda, poiché osservarli è piuttosto difficile e durante l'intero periodo di studio del cielo gli scienziati sono stati in grado di scoprire circa una dozzina di buchi neri all'interno della Via Lattea. Senza indulgere nei calcoli, notiamo che nella nostra galassia ci sono circa 100-400 miliardi di stelle e circa una millesima stella ha una massa sufficiente per formare un buco nero. È probabile che milioni di buchi neri si siano formati durante l'esistenza della Via Lattea. Poiché è più facile individuare buchi neri di dimensioni enormi, è logico supporre che molto probabilmente la maggior parte dei buchi neri nella nostra galassia non siano supermassicci. È interessante notare che la ricerca della NASA nel 2005 suggerisce la presenza di un intero sciame di buchi neri (10-20mila) che ruotano attorno al centro della galassia. Inoltre, nel 2016, gli astrofisici giapponesi hanno scoperto un enorme satellite vicino all'oggetto *: un buco nero, il nucleo della Via Lattea. A causa del piccolo raggio (0,15 anni luce) di questo corpo e della sua enorme massa (100.000 masse solari), gli scienziati presumono che questo oggetto sia anche un buco nero supermassiccio.

Il nucleo della nostra galassia, il buco nero della Via Lattea (Sagittarius A*, Sgr A* o Sagittarius A*) è supermassiccio e ha una massa di 4,31 10 6 masse solari e un raggio di 0,00071 anni luce (6,25 ore luce . ovvero 6,75 miliardi di km). La temperatura di Sagittarius A*, insieme all'ammasso che lo circonda, è di circa 1·10 7 K.

Il più grande buco nero

Il più grande buco nero dell'Universo scoperto dagli scienziati è un buco nero supermassiccio, FSRQ blazar, al centro della galassia S5 0014+81, a una distanza di 1,2 10 10 anni luce dalla Terra. Secondo i risultati preliminari dell'osservazione effettuata con l'osservatorio spaziale Swift, la massa del buco nero era di 40 miliardi (40·10 9) di masse solari, e il raggio di Schwarzschild di tale buco era di 118,35 miliardi di chilometri (0,013 anni luce). Inoltre, secondo i calcoli, è sorto 12,1 miliardi di anni fa (1,6 miliardi di anni dopo Big Bang). Se questo gigantesco buco nero non assorbe la materia che lo circonda, vivrà fino all'era dei buchi neri, una delle epoche dello sviluppo dell'Universo, durante la quale i buchi neri domineranno in esso. Se il nucleo della galassia S5 0014+81 continua a crescere, diventerà uno degli ultimi buchi neri che esisteranno nell'Universo.

Gli altri due buchi neri conosciuti, sebbene non abbiano un nome proprio, sì valore più alto per lo studio dei buchi neri, poiché ne hanno confermato sperimentalmente l'esistenza, e hanno anche dato risultati importanti studiare la gravità. Stiamo parlando dell'evento GW150914, ovvero la collisione di due buchi neri in uno solo. Questo evento ha permesso di registrarsi.

Rilevazione di buchi neri

Prima di considerare i metodi per rilevare i buchi neri, dovremmo rispondere alla domanda: perché un buco nero è nero? – la risposta a questa domanda non richiede una conoscenza approfondita dell’astrofisica e della cosmologia. Il fatto è che un buco nero assorbe tutta la radiazione che cade su di esso e non emette affatto, se non si tiene conto di quella ipotetica. Se consideriamo questo fenomeno in modo più dettagliato, possiamo supporre che all'interno dei buchi neri non avvengano processi che portano al rilascio di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Quindi, se un buco nero emette, lo fa nello spettro di Hawking (che coincide con lo spettro di un corpo riscaldato, assolutamente nero). Tuttavia, come accennato in precedenza, questa radiazione non è stata rilevata, il che suggerisce che la temperatura dei buchi neri sia completamente bassa.

Lo dice un’altra teoria generalmente accettata radiazioni elettromagnetiche e non è affatto in grado di uscire dall'orizzonte degli eventi. È molto probabile che i fotoni (particelle di luce) non siano attratti da oggetti massicci poiché, secondo la teoria, essi stessi non hanno massa. Tuttavia, il buco nero continua ad “attrarre” fotoni di luce attraverso la distorsione dello spazio-tempo. Se immaginiamo un buco nero nello spazio come una sorta di depressione sulla superficie liscia dello spazio-tempo, allora c'è una certa distanza dal centro del buco nero, avvicinandosi alla quale la luce non potrà più allontanarsi da esso. Cioè, grosso modo, la luce comincia a “cadere” in un “buco” che non ha nemmeno un “fondo”.

Inoltre, se prendiamo in considerazione l'effetto dello spostamento verso il rosso gravitazionale, è possibile che la luce in un buco nero perda la sua frequenza, spostandosi lungo lo spettro nella regione delle radiazioni a onde lunghe a bassa frequenza fino a perdere del tutto energia.

Quindi, un buco nero è di colore nero e quindi difficile da rilevare nello spazio.

Metodi di rilevamento

Diamo un'occhiata ai metodi utilizzati dagli astronomi per rilevare un buco nero:

Oltre ai metodi sopra menzionati, gli scienziati spesso associano oggetti come buchi neri e. I quasar sono alcuni ammassi di corpi cosmici e gas, che sono tra gli oggetti astronomici più luminosi dell'Universo. Poiché hanno un’elevata intensità di luminescenza a dimensioni relativamente piccole, c’è motivo di supporre che il centro di questi oggetti sia un buco nero supermassiccio, che attrae la materia circostante. A causa di un'attrazione gravitazionale così potente, la materia attratta è così riscaldata da irradiarsi intensamente. La scoperta di tali oggetti viene solitamente paragonata alla scoperta di un buco nero. A volte i quasar possono emettere getti di plasma riscaldato in due direzioni: getti relativistici. Le ragioni della comparsa di tali getti non sono del tutto chiare, ma probabilmente sono causate dall'interazione dei campi magnetici del buco nero e del disco di accrescimento e non sono emessi direttamente dal buco nero.

Getto nella galassia M87 sparando dal centro del buco nero

Per riassumere quanto sopra, si può immaginare, da vicino: si tratta di un oggetto sferico nero attorno al quale ruota materia altamente riscaldata, formando un disco di accrescimento luminoso.

Fusioni e collisioni di buchi neri

Uno dei fenomeni più interessanti dell'astrofisica è la collisione dei buchi neri, che rende possibile anche rilevare corpi astronomici così massicci. Tali processi interessano non solo gli astrofisici, poiché danno luogo a fenomeni poco studiati dai fisici. L'esempio più eclatante è l'evento già menzionato chiamato GW150914, quando due buchi neri si avvicinarono così tanto che, a causa della loro reciproca attrazione gravitazionale, si fusero in uno solo. Una conseguenza importante di questa collisione fu l'emergere di onde gravitazionali.

Secondo la definizione, le onde gravitazionali sono cambiamenti nel campo gravitazionale che si propagano in modo ondulatorio da oggetti massicci in movimento. Quando due di questi oggetti si avvicinano, iniziano a ruotare centro generale gravità. Man mano che si avvicinano, la loro rotazione attorno al proprio asse aumenta. Tali oscillazioni alternate del campo gravitazionale ad un certo punto possono formare una potente onda gravitazionale, che può diffondersi nello spazio per milioni di anni luce. Così, a una distanza di 1,3 miliardi di anni luce, due buchi neri si sono scontrati, generando una potente onda gravitazionale che ha raggiunto la Terra il 14 settembre 2015 ed è stata registrata dai rilevatori LIGO e VIRGO.

Come muoiono i buchi neri?

Ovviamente, affinché un buco nero cessi di esistere, dovrebbe perdere tutta la sua massa. Tuttavia, secondo la sua definizione, nulla può lasciare il buco nero se questo ha attraversato il suo orizzonte degli eventi. È noto che la possibilità dell'emissione di particelle da un buco nero fu menzionata per la prima volta dal fisico teorico sovietico Vladimir Gribov, nella sua discussione con un altro scienziato sovietico Yakov Zeldovich. Sosteneva che dal punto di vista della meccanica quantistica, un buco nero è in grado di emettere particelle attraverso l'effetto tunnel. Successivamente, utilizzando la meccanica quantistica, il fisico teorico inglese Stephen Hawking costruì la sua teoria leggermente diversa. Leggi di più su questo fenomeno Puoi leggere. In breve, nel vuoto esistono le cosiddette particelle virtuali, che nascono costantemente in coppia e si annichilano a vicenda, senza interagire con il mondo esterno. Ma se tali coppie compaiono sull’orizzonte degli eventi di un buco nero, allora una forte gravità è ipoteticamente capace di separarle, con una particella che cade nel buco nero e l’altra che si allontana dal buco nero. E poiché è possibile osservare una particella che vola via da un buco, e quindi ha energia positiva, allora una particella che cade in un buco deve avere energia negativa. Pertanto, il buco nero perderà la sua energia e si verificherà un effetto chiamato evaporazione del buco nero.

Secondo i modelli esistenti di un buco nero, come accennato in precedenza, man mano che la sua massa diminuisce, la sua radiazione diventa più intensa. Quindi, nella fase finale dell’esistenza del buco nero, quando potrebbe ridursi alle dimensioni di un buco nero quantistico, emetterà grande quantità energia sotto forma di radiazioni, che possono equivalere a migliaia o addirittura milioni di bombe atomiche. Questo evento ricorda in qualche modo l'esplosione di un buco nero, come la stessa bomba. Secondo i calcoli, i buchi neri primordiali potrebbero essere nati a seguito del Big Bang, e quelli con una massa di circa 10 12 kg sarebbero evaporati ed esplosi intorno al nostro tempo. Comunque sia, tali esplosioni non sono mai state notate dagli astronomi.

Nonostante il meccanismo proposto da Hawking per distruggere i buchi neri, le proprietà della radiazione di Hawking causano un paradosso nel quadro della meccanica quantistica. Se un buco nero assorbe un certo corpo e poi perde la massa risultante dall'assorbimento di questo corpo, indipendentemente dalla natura del corpo, il buco nero non sarà diverso da quello che era prima di assorbire il corpo. In questo caso, le informazioni sul corpo vanno perse per sempre. Dal punto di vista dei calcoli teorici, la trasformazione dello stato puro iniziale nel risultante stato misto (“termico”) non corrisponde all’attuale teoria della meccanica quantistica. Questo paradosso è talvolta chiamato la scomparsa dell'informazione in un buco nero. Una soluzione definitiva a questo paradosso non è mai stata trovata. Soluzioni note al paradosso:

• L'invalidità della teoria di Hawking. Ciò comporta l'impossibilità di distruggere un buco nero e la sua crescita costante.
• Presenza di buchi bianchi. In questo caso, le informazioni assorbite non scompaiono, ma vengono semplicemente espulse in un altro Universo.
• L'incoerenza della teoria generalmente accettata della meccanica quantistica.

Problema irrisolto della fisica dei buchi neri

A giudicare da tutto ciò che è stato descritto in precedenza, sebbene i buchi neri siano studiati relativamente per molto tempo, presentano ancora molte caratteristiche, i cui meccanismi sono ancora sconosciuti agli scienziati.

• Nel 1970, uno scienziato inglese formulò il cosiddetto. “il principio della censura cosmica” – “La natura detesta la nuda singolarità”. Ciò significa che le singolarità si formano solo in luoghi nascosti, come il centro di un buco nero. Tuttavia, per dimostrare questo principio Finora non è stato possibile. Esistono anche calcoli teorici secondo i quali può formarsi una singolarità “nuda”.
• Non è stato dimostrato nemmeno il “teorema senza capelli”, secondo il quale i buchi neri hanno solo tre parametri.
• Non sviluppato teoria completa magnetosfera di un buco nero.
• La natura e la fisica della singolarità gravitazionale non sono state studiate.
• Non si sa con certezza cosa accada nella fase finale dell'esistenza di un buco nero e cosa rimane dopo il suo decadimento quantistico.

Fatti interessanti sui buchi neri

Riassumendo quanto sopra, possiamo evidenziare diverse caratteristiche interessanti e insolite della natura dei buchi neri:

• I BH hanno solo tre parametri: massa, carica elettrica e momento angolare. A causa del numero così piccolo di caratteristiche di questo corpo, il teorema che lo afferma è chiamato “teorema senza capelli”. Da qui deriva anche la frase “un buco nero non ha capelli”, che significa che due buchi neri sono assolutamente identici, i loro tre parametri menzionati sono gli stessi.
• La densità del buco nero può essere inferiore alla densità dell'aria e la temperatura è vicina allo zero assoluto. Da ciò possiamo supporre che la formazione di un buco nero non avvenga a causa della compressione della materia, ma come risultato dell'accumulo di una grande quantità di materia in un certo volume.
• Il tempo scorre molto più lentamente per i corpi assorbiti da un buco nero che per un osservatore esterno. Inoltre, i corpi assorbiti si estendono in modo significativo all'interno del buco nero, fenomeno che gli scienziati chiamano spaghettificazione.
• Potrebbero esserci circa un milione di buchi neri nella nostra galassia.
• Probabilmente esiste un buco nero supermassiccio al centro di ogni galassia.
• In futuro, secondo il modello teorico, l'Universo raggiungerà la cosiddetta era dei buchi neri, quando i buchi neri diventeranno i corpi dominanti nell'Universo.

La maggior parte delle persone ha un’idea vaga o errata di cosa siano i buchi neri. Nel frattempo, questi sono oggetti dell'Universo così globali e potenti, in confronto ai quali il nostro Pianeta e tutta la nostra vita non sono nulla.

Essenza

Questo è un oggetto cosmico con una gravità così enorme da assorbire tutto ciò che rientra nei suoi confini. In sostanza, un buco nero è un oggetto che non emette nemmeno luce e piega lo spazio-tempo. Anche il tempo si muove più lentamente in prossimità dei buchi neri.

In realtà, l’esistenza dei buchi neri è solo una teoria (e un po’ di pratica). Gli scienziati hanno ipotesi ed esperienza pratica, ma non sono ancora riusciti a studiare da vicino i buchi neri. Pertanto, i buchi neri sono convenzionalmente chiamati tutti gli oggetti che si adattano al questa descrizione. I buchi neri sono stati poco studiati e quindi molte domande rimangono irrisolte.

Ogni buco nero ha un orizzonte degli eventi, quel confine oltre il quale nulla può sfuggire. Inoltre, più un oggetto è vicino a un buco nero, più lentamente si muove.

Formazione scolastica

Esistono diversi tipi e metodi di formazione dei buchi neri:
- la formazione di buchi neri a seguito della formazione dell'Universo. Tali buchi neri sono comparsi immediatamente dopo il Big Bang.
- stelle morenti. Quando una stella perde la sua energia e le reazioni termonucleari si fermano, la stella inizia a rimpicciolirsi. A seconda del grado di compressione, si distinguono stelle di neutroni, nane bianche e, di fatto, buchi neri.
- ottenuto attraverso l'esperimento. Ad esempio, un buco nero quantistico può essere creato in un collisore.

Versioni

Molti scienziati sono propensi a credere che i buchi neri espellono tutta la materia assorbita altrove. Quelli. devono esserci “buchi bianchi” che operano secondo un principio diverso. Se puoi entrare in un buco nero, ma non puoi uscirne, allora, al contrario, non puoi entrare in un buco bianco. L'argomento principale degli scienziati sono le forti e potenti esplosioni di energia registrate nello spazio.

I sostenitori della teoria delle stringhe generalmente hanno creato il proprio modello di buco nero, che non distrugge le informazioni. La loro teoria si chiama "Fuzzball" e ci consente di rispondere a domande relative alla singolarità e alla scomparsa delle informazioni.

Cos'è la singolarità e la scomparsa dell'informazione? Una singolarità è un punto nello spazio caratterizzato da pressione e densità infinite. Molte persone sono confuse dal fatto della singolarità, perché i fisici non possono lavorare con numeri infiniti. Molti sono sicuri che esista una singolarità nel buco nero, ma le sue proprietà sono descritte in modo molto superficiale.

In termini semplici, tutti i problemi e le incomprensioni nascono dalla relazione tra meccanica quantistica e gravità. Finora, gli scienziati non sono riusciti a creare una teoria che li unisca. Ed è per questo che sorgono problemi con un buco nero. Dopotutto, un buco nero sembra distruggere le informazioni, ma allo stesso tempo vengono violati i fondamenti della meccanica quantistica. Anche se recentemente S. Hawking sembrava aver deciso questa domanda, affermando che dopotutto l'informazione nei buchi neri non viene distrutta.

Stereotipi

Innanzitutto, i buchi neri non possono esistere indefinitamente. E tutto grazie all'evaporazione di Hawking. Pertanto, non è necessario pensare che i buchi neri prima o poi inghiottiranno l'Universo.

In secondo luogo, il nostro Sole non diventerà un buco nero. Poiché la massa della nostra stella non sarà sufficiente. È più probabile che il nostro sole si trasformi in una nana bianca (e questo non è un dato di fatto).

In terzo luogo, il Large Hadron Collider non distruggerà la nostra Terra creando un buco nero. Anche se creano deliberatamente un buco nero e lo “rilasciano”, a causa delle sue piccole dimensioni consumerà il nostro pianeta per un tempo molto, molto lungo.

In quarto luogo, non è necessario pensare che un buco nero sia un “buco” nello spazio. Un buco nero è un oggetto sferico. Da qui la maggior parte delle opinioni secondo cui i buchi neri portano a un universo parallelo. Tuttavia, questo fatto non è stato ancora dimostrato.

In quinto luogo, un buco nero non ha colore. Viene scoperto da radiazione a raggi X o sullo sfondo di altre galassie e stelle (effetto lente).

Perché le persone spesso confondono i buchi neri con i wormhole (che effettivamente esistono), alcuni persone normali questi concetti non sono diversi. Un wormhole ti permette davvero di muoverti nello spazio e nel tempo, ma per ora solo in teoria.

Cose complesse in termini semplici

È difficile descrivere un fenomeno come un buco nero in un linguaggio semplice. Se ti consideri un tecnico esperto di scienze esatte, allora ti consiglio di leggere direttamente le opere degli scienziati. Se vuoi saperne di più su questo fenomeno, leggi le opere di Stephen Hawking. Ha fatto molto per la scienza, soprattutto nel campo dei buchi neri. Da lui prende il nome l'evaporazione dei buchi neri. È un sostenitore dell'approccio pedagogico e quindi tutte le sue opere saranno comprensibili anche alla persona media.

Libri:
- “Buchi neri e universi giovani” 1993.
- “Il mondo in poche parole 2001.”
- “La Breve Storia dell'Universo 2005”.

In particolare, voglio raccomandare i suoi famosi film scientifici, che te lo diranno in un linguaggio chiaro non solo sui buchi neri, ma anche sull'Universo in generale:
- "L'universo di Stephen Hawking" - una serie di 6 episodi.
- "Deep into the Universe with Stephen Hawking" - una serie di 3 episodi.
Tutti questi film sono stati tradotti in russo e vengono spesso proiettati sui canali Discovery.

Grazie per l'attenzione!

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Buchi neri misteriosi e sfuggenti. Le leggi della fisica confermano la possibilità della loro esistenza nell'universo, ma rimangono ancora molte domande. Numerose osservazioni mostrano che esistono buchi nell'universo e che esistono più di un milione di questi oggetti.

Cosa sono i buchi neri?

Già nel 1915, quando si risolvevano le equazioni di Einstein, era stato previsto un fenomeno come i “buchi neri”. Tuttavia, la comunità scientifica se ne interessò solo nel 1967. Allora furono chiamate “stelle collassate”, “stelle congelate”.

Al giorno d'oggi, un buco nero è una regione del tempo e dello spazio dotata di una gravità tale che nemmeno un raggio di luce può sfuggire da essa.

Come si formano i buchi neri?

Esistono diverse teorie sulla comparsa dei buchi neri, che si dividono in ipotetiche e realistiche. Quella realistica più semplice e diffusa è la teoria del collasso gravitazionale delle grandi stelle.

Quando una stella sufficientemente massiccia, prima della “morte”, cresce di dimensioni e diventa instabile, consumando il suo ultimo carburante. Allo stesso tempo, la massa della stella rimane invariata, ma le sue dimensioni diminuiscono man mano che avviene la cosiddetta densificazione. In altre parole, quando compattato, il nucleo pesante “cade” su se stesso. Parallelamente a ciò, la compattazione porta a forte aumento le temperature all'interno della stella e gli strati esterni del corpo celeste vengono strappati e da essi si formano nuove stelle. Allo stesso tempo, al centro della stella, il nucleo cade nel proprio “centro”. Come risultato dell'azione delle forze gravitazionali, il centro collassa fino a un punto, ovvero le forze gravitazionali sono così forti da assorbire il nucleo compattato. È così che nasce un buco nero, che inizia a distorcere lo spazio e il tempo in modo che nemmeno la luce possa fuoriuscire da esso.

Al centro di tutte le galassie c'è un buco nero supermassiccio. Secondo la teoria della relatività di Einstein:

“Qualsiasi massa distorce lo spazio e il tempo.”

Ora immagina quanto un buco nero distorce il tempo e lo spazio, perché la sua massa è enorme e allo stesso tempo racchiusa in un volume ultrapiccolo. Questa abilità causa la seguente stranezza:

“I buchi neri hanno la capacità di fermare praticamente il tempo e comprimere lo spazio. A causa di questa distorsione estrema, i buchi diventano invisibili per noi”.

Se i buchi neri non sono visibili, come facciamo a sapere che esistono?

Sì, anche se un buco nero è invisibile, dovrebbe essere visibile a causa della materia che vi cade. Così come il gas stellare, che è attratto da un buco nero; quando si avvicina all'orizzonte degli eventi, la temperatura del gas inizia a salire a valori ultra elevati, il che porta al bagliore. Ecco perché i buchi neri brillano. Grazie a questo, seppur debole, bagliore, astronomi e astrofisici spiegano la presenza al centro della galassia di un oggetto dal volume piccolo ma dalla massa enorme. Attualmente, a seguito delle osservazioni, sono stati scoperti circa 1000 oggetti simili nel comportamento ai buchi neri.

Buchi neri e galassie

In che modo i buchi neri possono influenzare le galassie? Questa domanda affligge gli scienziati di tutto il mondo. Esiste un'ipotesi secondo la quale sono i buchi neri situati al centro della galassia a influenzarne la forma e l'evoluzione. E che quando due galassie si scontrano, i buchi neri si fondono e durante questo processo viene rilasciata una quantità così grande di energia e materia da formare nuove stelle.

Tipi di buchi neri

• Secondo la teoria esistente, esistono tre tipi di buchi neri: stellari, supermassicci e miniaturizzati. E ognuno di loro si è formato in modo speciale.
• - Buchi neri di massa stellare, crescono fino a raggiungere dimensioni enormi e collassano.
  - È probabile che esistano buchi neri supermassicci, che possono avere una massa equivalente a milioni di Soli, al centro di quasi tutte le galassie, compresa la nostra Via Lattea. Gli scienziati hanno ancora ipotesi diverse sulla formazione dei buchi neri supermassicci. Finora si sa solo una cosa: i buchi neri supermassicci sono un sottoprodotto della formazione delle galassie. Buchi neri supermassicci: differiscono da quelli ordinari in quanto ne hanno molto grande taglia, ma paradossalmente a bassa densità.
• - Nessuno è ancora riuscito a rilevare un buco nero in miniatura che avrebbe una massa inferiore a quella del Sole. È possibile che si siano formati dei buchi in miniatura poco dopo il "Big Bang", che rappresenta l'esatto inizio dell'esistenza del nostro universo (circa 13,7 miliardi di anni fa).
• - Abbastanza recentemente, è stato introdotto un nuovo concetto come “buchi neri bianchi”. Questo è ancora un ipotetico buco nero, che è l'opposto di un buco nero. Stephen Hawking ha studiato attivamente la possibilità dell'esistenza dei buchi bianchi.
• - Buchi neri quantistici: per ora esistono solo in teoria. I buchi neri quantistici possono formarsi quando particelle ultra piccole si scontrano a seguito di una reazione nucleare.
• - Anche i buchi neri primari sono una teoria. Si sono formati subito dopo la loro origine.

Attualmente esiste un gran numero di domande aperte a cui le generazioni future non hanno ancora risposto. Ad esempio, possono davvero esistere i cosiddetti “wormhole”, con l’aiuto dei quali è possibile viaggiare nello spazio e nel tempo. Cosa succede esattamente all'interno di un buco nero e a quali leggi obbediscono questi fenomeni. E che dire della scomparsa dell'informazione in un buco nero?

L'universo sconfinato è pieno di segreti, enigmi e paradossi. Sebbene scienza moderna ha fatto un enorme passo avanti nell'esplorazione spaziale, gran parte di questo vasto mondo rimane incomprensibile per la visione del mondo umana. Sappiamo molto di stelle, nebulose, ammassi e pianeti. Tuttavia, nella vastità dell'Universo ci sono oggetti della cui esistenza possiamo solo immaginare. Ad esempio, sappiamo molto poco dei buchi neri. Le informazioni e le conoscenze di base sulla natura dei buchi neri si basano su ipotesi e congetture. Gli astrofisici e gli scienziati nucleari lottano con questo problema da decenni. Cos'è un buco nero nello spazio? Qual è la natura di tali oggetti?

Parlare di buchi neri in termini semplici

Per immaginare come sia un buco nero, basta vedere la coda di un treno che entra in un tunnel. Le luci di segnalazione sull'ultima carrozza diminuiranno di dimensioni man mano che il treno si addentra nel tunnel fino a scomparire completamente dalla vista. Si tratta cioè di oggetti in cui, a causa della mostruosa gravità, anche la luce scompare. Particelle elementari, elettroni, protoni e fotoni non sono in grado di superare la barriera invisibile e cadere nell'abisso nero del nulla, motivo per cui un tale buco nello spazio è chiamato nero. Al suo interno non c'è la minima area luminosa, completa oscurità e infinito. Cosa ci sia dall’altra parte del buco nero non è noto.

Questo aspirapolvere spaziale ha una forza gravitazionale colossale ed è in grado di assorbire un'intera galassia con tutti gli ammassi e superammassi di stelle, nebulose e materia oscura Inoltre. Com'è possibile? Possiamo solo indovinare. Le leggi della fisica a noi note in questo caso stanno scoppiando e non forniscono una spiegazione per i processi in atto. L'essenza del paradosso è che in una data parte dell'Universo l'interazione gravitazionale dei corpi è determinata dalla loro massa. Il processo di assorbimento da parte di un oggetto di un altro non è influenzato dalla loro qualità e composizione quantitativa. Le particelle, dopo aver raggiunto un numero critico in una determinata area, entrano in un altro livello di interazione, dove le forze gravitazionali diventano forze di attrazione. Un corpo, oggetto, sostanza o materia inizia a comprimersi sotto l'influenza della gravità, raggiungendo una densità colossale.

Processi approssimativamente simili si verificano durante la formazione di una stella di neutroni, dove la materia stellare viene compressa in volume sotto l'influenza della gravità interna. Gli elettroni liberi si combinano con i protoni per formare particelle elettricamente neutre: i neutroni. La densità di questa sostanza è enorme. Una particella di materia delle dimensioni di un pezzo di zucchero raffinato pesa miliardi di tonnellate. Qui sarebbe opportuno richiamare la teoria generale della relatività, dove spazio e tempo sono quantità continue. Di conseguenza, il processo di compressione non può essere interrotto a metà e quindi non ha limiti.

Potenzialmente, un buco nero sembra un buco in cui potrebbe esserci una transizione da una parte dello spazio a un'altra. Allo stesso tempo, le proprietà dello spazio e del tempo cambiano, contorcendosi in un imbuto spazio-temporale. Raggiungendo il fondo di questo imbuto, qualsiasi materia si disintegra in quanti. Cosa c'è dall'altra parte del buco nero, questo buco gigante? Forse c’è un altro spazio là fuori dove si applicano altre leggi e il tempo scorre nella direzione opposta.

Nel contesto della teoria della relatività, assomiglia alla teoria di un buco nero nel seguente modo. Il punto nello spazio in cui le forze gravitazionali hanno compresso qualsiasi materia a dimensioni microscopiche ha una forza di attrazione colossale, la cui grandezza aumenta all'infinito. Appare una piega del tempo e lo spazio si piega, chiudendosi in un punto. Gli oggetti inghiottiti da un buco nero non sono in grado di resistere autonomamente alla forza di trazione di questo mostruoso aspirapolvere. Anche la velocità della luce, posseduta dai quanti, non consente alle particelle elementari di vincere la forza di gravità. Qualsiasi corpo che arriva a questo punto cessa di essere un oggetto materiale, fondendosi con una bolla spazio-temporale.

I buchi neri da un punto di vista scientifico

Se ti chiedi, come si formano i buchi neri? Non ci sarà una risposta chiara. Ci sono molti paradossi e contraddizioni nell'Universo che non possono essere spiegati da un punto di vista scientifico. La teoria della relatività di Einstein consente solo una spiegazione teorica della natura di tali oggetti, ma in questo caso la meccanica e la fisica quantistica tacciono.

Cercando di spiegare i processi che si verificano con le leggi della fisica, l'immagine sarà simile a questa. Un oggetto formato a seguito della colossale compressione gravitazionale di un corpo cosmico massiccio o supermassiccio. Questo processo è nome scientifico- collasso gravitazionale. Il termine "buco nero" fu usato per la prima volta in comunità scientifica nel 1968, quando l'astronomo e fisico americano John Wheeler cercò di spiegare lo stato del collasso stellare. Secondo la sua teoria, al posto di una stella massiccia che ha subito un collasso gravitazionale, appare un divario spaziale e temporale, in cui opera una compressione sempre crescente. Tutto ciò di cui è fatta la stella va dentro se stessa.

Questa spiegazione ci consente di concludere che la natura dei buchi neri non è in alcun modo collegata ai processi che si verificano nell'Universo. Tutto ciò che accade all'interno di questo oggetto non si riflette in alcun modo nello spazio circostante con un “MA”. La forza gravitazionale di un buco nero è così forte da piegare lo spazio, facendo ruotare le galassie attorno ai buchi neri. Di conseguenza diventa chiaro il motivo per cui le galassie assumono la forma di spirali. Non è noto quanto tempo impiegherà l'enorme galassia della Via Lattea a scomparire nell'abisso di un buco nero supermassiccio. Un fatto interessante è che i buchi neri possono apparire ovunque nello spazio, dove vengono creati per questo scopo. condizioni ideali. Una tale piega del tempo e dello spazio neutralizza le enormi velocità con cui le stelle ruotano e si muovono nello spazio della galassia. Il tempo in un buco nero scorre in un'altra dimensione. All'interno di questa regione, nessuna legge di gravità può essere interpretata in termini fisici. Questo stato è chiamato singolarità del buco nero.

I buchi neri non mostrano alcun segno esterno di identificazione; la loro esistenza può essere giudicata dal comportamento di altri oggetti spaziali influenzati dai campi gravitazionali. L'intero quadro della lotta per la vita o la morte si svolge al confine di un buco nero, coperto da una membrana. Questa superficie immaginaria dell’imbuto è chiamata “orizzonte degli eventi”. Tutto ciò che vediamo fino a questo confine è tangibile e materiale.

Scenari di formazione del buco nero

Sviluppando la teoria di John Wheeler, possiamo concludere che molto probabilmente il mistero dei buchi neri non è nel processo della sua formazione. La formazione di un buco nero avviene a seguito del collasso di una stella di neutroni. Inoltre, la massa di un tale oggetto dovrebbe superare la massa del Sole di tre o più volte. La stella di neutroni si restringe fino a quando la sua stessa luce non riesce più a sfuggire allo stretto abbraccio della gravità. Esiste un limite alla dimensione alla quale una stella può ridursi, dando vita a un buco nero. Questo raggio è chiamato raggio gravitazionale. Le stelle massicce nella fase finale del loro sviluppo dovrebbero avere un raggio gravitazionale di diversi chilometri.

Oggi gli scienziati hanno ottenuto prove indirette della presenza di buchi neri in una dozzina di stelle binarie a raggi X. Le stelle, le pulsar o i burster dei raggi X non hanno una superficie solida. Inoltre, la loro massa è maggiore della massa di tre Soli. Lo stato attuale dello spazio nella costellazione del Cigno, la stella a raggi X Cygnus X-1, ci consente di tracciare il processo di formazione di questi curiosi oggetti.

Sulla base della ricerca e dei presupposti teorici, oggi nella scienza esistono quattro scenari per la formazione delle stelle nere:

• collasso gravitazionale di una stella massiccia nella fase finale della sua evoluzione;
• collasso della regione centrale della galassia;
• la formazione dei buchi neri durante il Big Bang;
• formazione dei buchi neri quantistici.

Il primo scenario è il più realistico, ma il numero di stelle nere che conosciamo oggi supera il numero di stelle di neutroni conosciute. E l'età dell'Universo non è così grande che un così numero di stelle massicce possa attraversare l'intero processo di evoluzione.

Il secondo scenario ha diritto alla vita ed esiste fulgido esempio- il buco nero supermassiccio Sagittarius A*, annidato al centro della nostra galassia. La massa di questo oggetto è 3,7 masse solari. Il meccanismo di questo scenario è simile allo scenario del collasso gravitazionale, con l’unica differenza che non è la stella a collassare, ma il gas interstellare. Sotto l'influenza delle forze gravitazionali, il gas viene compresso fino a raggiungere una massa e una densità critiche. In un momento critico, la materia si disintegra in quanti, formando un buco nero. Tuttavia, questa teoria è in dubbio, poiché recentemente gli astronomi della Columbia University hanno identificato i satelliti del buco nero Sagittarius A*. Si sono rivelati tanti piccoli buchi neri, che probabilmente si sono formati in modo diverso.

Il terzo scenario è più teorico ed è associato all’esistenza della teoria del Big Bang. Al momento della formazione dell'Universo, parte della materia e dei campi gravitazionali subirono delle fluttuazioni. In altre parole, i processi hanno preso un percorso diverso, estraneo ai processi conosciuti della meccanica quantistica e della fisica nucleare.

L'ultimo scenario si concentra sulla fisica di un'esplosione nucleare. Negli ammassi di materia, durante le reazioni nucleari sotto l'influenza delle forze gravitazionali, si verifica un'esplosione, al posto della quale si forma un buco nero. La materia esplode verso l'interno, assorbendo tutte le particelle.

Esistenza ed evoluzione dei buchi neri

Avendo un'idea approssimativa della natura di oggetti spaziali così strani, qualcos'altro è interessante. Quali sono le reali dimensioni dei buchi neri e quanto velocemente crescono? Le dimensioni dei buchi neri sono determinate dal loro raggio gravitazionale. Nel caso dei buchi neri, il raggio del buco nero è determinato dalla sua massa ed è chiamato raggio di Schwarzschild. Ad esempio, se un oggetto ha una massa pari alla massa del nostro pianeta, il raggio di Schwarzschild in questo caso è 9 mm. Il nostro luminare principale ha un raggio di 3 km. La densità media di un buco nero formatosi al posto di una stella con una massa di 10⁸ masse solari sarà vicina alla densità dell'acqua. Il raggio di tale formazione sarà di 300 milioni di chilometri.

È probabile che tali buchi neri giganti si trovino al centro delle galassie. Ad oggi si conoscono 50 galassie, al centro delle quali si trovano enormi pozzi temporali e spaziali. La massa di questi giganti è pari a miliardi della massa del Sole. Si può solo immaginare quale forza di attrazione colossale e mostruosa abbia un simile buco.

Per quanto riguarda i piccoli fori, si tratta di mini-oggetti, il cui raggio raggiunge valori trascurabili, solo 10¯¹² cm, la massa di tali briciole è di 10¹⁴ g. Formazioni simili sorsero al tempo del Big Bang, ma col tempo aumentarono di dimensioni e oggi sfoggiano nello spazio come mostri. Gli scienziati stanno ora cercando di ricreare le condizioni in cui si sono formati piccoli buchi neri in condizioni terrestri. A tal fine vengono condotti esperimenti in collisori di elettroni, attraverso i quali le particelle elementari vengono accelerate alla velocità della luce. I primi esperimenti hanno permesso di ottenere plasma di quark e gluoni in condizioni di laboratorio, la materia che esisteva agli albori della formazione dell'Universo. Tali esperimenti ci permettono di sperare che l'esistenza di un buco nero sulla Terra sia solo questione di tempo. Un'altra questione è se una tale conquista della scienza umana non si trasformerà in un disastro per noi e per il nostro pianeta. Creando un buco nero artificiale, possiamo aprire il vaso di Pandora.

Recenti osservazioni di altre galassie hanno permesso agli scienziati di scoprire buchi neri le cui dimensioni superano tutte le aspettative e ipotesi immaginabili. L'evoluzione che avviene con tali oggetti ci permette di comprendere meglio perché cresce la massa dei buchi neri e qual è il suo reale limite. Gli scienziati hanno concluso che tutti i buchi neri conosciuti sono cresciuti fino alle dimensioni reali entro 13-14 miliardi di anni. La differenza di dimensioni è spiegata dalla densità dello spazio circostante. Se un buco nero ha abbastanza cibo alla portata delle sue forze gravitazionali, cresce a passi da gigante, raggiungendo una massa di centinaia o migliaia di masse solari. Da qui la dimensione gigantesca di tali oggetti situati al centro delle galassie. Sono un enorme ammasso di stelle, enormi masse di gas interstellare cibo ricco per la crescita. Quando le galassie si fondono, i buchi neri possono fondersi insieme per formare un nuovo oggetto supermassiccio.

A giudicare dall'analisi dei processi evolutivi, è consuetudine distinguere due classi di buchi neri:

• oggetti con una massa 10 volte quella solare;
• oggetti massicci la cui massa è di centinaia di migliaia, miliardi di masse solari.

Esistono buchi neri con una massa media intermedia pari a 100-10mila masse solari, ma la loro natura resta ancora sconosciuta. Esiste circa uno di questi oggetti per galassia. Lo studio delle stelle a raggi X ha permesso di trovare due buchi neri di media massa a una distanza di 12 milioni di anni luce nella galassia M82. La massa di un oggetto varia nell'intervallo tra 200 e 800 masse solari. L'altro oggetto è molto più grande e ha una massa di 10-40mila masse solari. Il destino di tali oggetti è interessante. Si trovano vicino agli ammassi stellari, venendo gradualmente attratti dal buco nero supermassiccio situato nella parte centrale della galassia.

Il nostro pianeta e i buchi neri

Nonostante la ricerca di indizi sulla natura dei buchi neri, mondo scientifico si preoccupa del posto e del ruolo del buco nero nel destino della Via Lattea e, in particolare, nel destino del pianeta Terra. La piega del tempo e dello spazio che esiste al centro della Via Lattea assorbe gradualmente tutti gli oggetti esistenti attorno ad essa. Milioni di stelle e trilioni di tonnellate di gas interstellare sono già stati inghiottiti dal buco nero. Col tempo, la svolta arriverà ai bracci del Cigno e del Sagittario, in cui si trova il sistema Solare, che copre una distanza di 27mila anni luce.

L'altro buco nero supermassiccio più vicino si trova nella parte centrale della galassia di Andromeda. Dista da noi circa 2,5 milioni di anni luce. Probabilmente, prima che il nostro oggetto Sagittarius A* inghiottisca la sua stessa galassia, dovremmo aspettarci una fusione di due galassie vicine. Di conseguenza, due buchi neri supermassicci si fonderanno in uno solo, di dimensioni terribili e mostruose.

I buchi neri sono una questione completamente diversa. piccole dimensioni. Per inghiottire il pianeta Terra è sufficiente un buco nero con un raggio di un paio di centimetri. Il problema è che, per sua natura, un buco nero è un oggetto completamente senza volto. Nessuna radiazione o radiazione emana dal suo ventre, quindi è abbastanza difficile notare un oggetto così misterioso. Solo a distanza ravvicinata è possibile rilevare la deflessione della luce di fondo, il che indica che c'è un buco nello spazio in questa regione dell'Universo.

Ad oggi, gli scienziati hanno stabilito che il buco nero più vicino alla Terra è l'oggetto V616 Monocerotis. Il mostro si trova a 3000 anni luce dal nostro sistema. In termini di dimensioni lo è grande istruzione, la sua massa è di 9-13 masse solari. Un altro oggetto vicino minaccioso il nostro mondo, è il buco nero Gygnus X-1. Siamo separati da questo mostro da una distanza di 6.000 anni luce. I buchi neri scoperti nel nostro quartiere fanno parte di un sistema binario, cioè esistono in prossimità della stella che alimenta l'oggetto insaziabile.

Conclusione

L'esistenza di oggetti così misteriosi e misteriosi nello spazio come i buchi neri ci costringe certamente a stare in guardia. Tuttavia, tutto ciò che accade ai buchi neri accade abbastanza raramente, data l’età dell’Universo e le grandi distanze. Per 4,5 miliardi di anni il sistema solare è rimasto in riposo, esistendo secondo le leggi a noi note. Durante questo periodo, niente del genere, nessuna distorsione dello spazio, nessuna piega del tempo nelle vicinanze sistema solare non è apparso. Probabilmente non per questo condizioni adeguate. La parte della Via Lattea in cui risiede il sistema solare è un'area di spazio calma e stabile.

Gli scienziati ammettono che la comparsa dei buchi neri non è casuale. Tali oggetti svolgono il ruolo di inservienti nell'Universo, distruggendo i corpi cosmici in eccesso. Per quanto riguarda il destino dei mostri stessi, la loro evoluzione non è stata ancora completamente studiata. Esiste una versione secondo cui i buchi neri non sono eterni e ad un certo punto potrebbero cessare di esistere. Non è più un segreto che tali oggetti rappresentino potenti fonti di energia. Che tipo di energia sia e come viene misurata è un'altra questione.

Grazie agli sforzi di Stephen Hawking, alla scienza è stata presentata la teoria secondo cui un buco nero emette ancora energia mentre perde la sua massa. Nelle sue ipotesi, lo scienziato è stato guidato dalla teoria della relatività, in cui tutti i processi sono interrelati tra loro. Niente scompare senza apparire altrove. Qualsiasi materia può essere trasformata in un'altra sostanza, con un tipo di energia che si sposta ad un altro livello energetico. Questo potrebbe essere il caso dei buchi neri, che sono un portale di transizione da uno stato all’altro.

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