Găurile negre sunt, probabil, cele mai misterioase obiecte ale universului. Dacă, bineînțeles, undeva în adâncimile lucrurilor nu sunt ascunse, a căror existență nu o știm și nu o putem cunoaște, ceea ce este puțin probabil. Găurile negre reprezintă o masă colosală și densitate comprimată într-un punct de o rază mică. Proprietățile fizice ale acestor obiecte sunt atît de ciudate încât îi forțează pe cei mai experimentați fizicieni și astrofizicieni să-și îngrădească creierul. Sabine Hossfender, fizician teoretic, a făcut o compilație de zece fapte despre găurile negre pe care toată lumea ar trebui să le știe.
Ce este o gaură neagră?
Proprietatea definitorie a unei găuri negre este orizontul său. Aceasta este limita, dincolo de care nimic, chiar lumina, nu se poate întoarce. Dacă regiunea separată este separată pentru totdeauna, vorbim despre "orizontul evenimentelor". Dacă este doar temporar separat, vorbim despre un "orizont vizibil". Dar acest "temporar" poate însemna și faptul că regiunea va fi separată mult mai mult decât vârsta actuală a universului. Dacă orizontul unei găuri negre este temporar, dar cu durată lungă de viață, diferența dintre prima și a doua neclaritate.
Cât de mari sunt găurile negre?
Vă puteți imagina orizontul unei găuri negre ca o sferă, iar diametrul său va fi direct proporțional cu masa găurii negre. Prin urmare, cu cât mai multă masă cade într-o gaură neagră, cu atât devine mai mare gaura neagră. Cu toate acestea, în comparație cu obiectele stelare, găurile negre sunt mici, deoarece masa este comprimată în volume foarte mici sub acțiunea unei presiuni gravitationale irezistibile. Raza unei mase de găuri negre cu o planetă Pământ, de exemplu, este de numai câțiva milimetri. Aceasta este de 10 000 000 000 de ori mai puțin decât raza reală a Pământului.
Raza unei găuri negre este numită raza Schwarzschild în onoarea lui Karl Schwarzschild, care a dedus mai întâi găurile negre ca o soluție la teoria generală a relativității lui Einstein.
Ce se întâmplă la orizont?
Când traversezi orizontul, nu se întâmplă nimic special în jurul tău. Toate din cauza principiului echivalenței lui Einstein, din care rezultă că nu se poate găsi diferența dintre accelerația într-un spațiu plat și câmpul gravitațional care creează curbura spațiului. Cu toate acestea, observatorul departe de gaura neagra, care se uita la fel cum altcineva se incadreaza in el, va observa ca persoana se va muta mai incet si lent, venind la orizont. Ca și cum timpul din apropierea orizontului evenimentului se mișcă mai încet decât în afara orizontului. Cu toate acestea, va trece ceva timp, iar observatorul care intră în gaură va trece orizontul evenimentelor și se va afla în raza Schwarzschild.
Ceea ce experimentați pe orizont depinde de forțele de maree ale câmpului gravitațional. Forțele de maree pe orizont sunt invers proporționale cu pătratul masei gaurii negre. Aceasta înseamnă că gaura neagră mai mare și mai masivă, cu atât mai puțină rezistență. Și dacă numai gaura neagră este suficient de masivă, puteți depăși orizontul chiar înainte de a observa că se întâmplă ceva. Efectul acestor forțe de maree vă va întinde: termenul tehnic pe care fizicienii îl folosesc pentru acest lucru se numește "spagetection".
În primele zile ale teoriei generale de relativitate, se credea că există o singularitate la orizont, dar acest lucru nu era cazul.
Ce este în gaura neagră?
Nimeni nu știe cu siguranță, dar cu siguranță nu este un raft. Relativitatea generală prezice că o singularitate gaură neagră, un loc în care forțele de maree devin infinit de mare, și odată ce treci peste orizontul evenimentului, nu poți ajunge oriunde altundeva, cu excepția singularitatea. În consecință, este mai bine să nu folosiți GR în aceste locuri - pur și simplu nu funcționează. Pentru a spune ce se întâmplă în interiorul unei găuri negre, avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice. Este general acceptat faptul că această teorie va înlocui singularitatea cu altceva.
Cum se formează găurile negre?
În prezent, știm despre patru moduri diferite de a forma găuri negre. Cel mai bun lucru pe care îl înțelegem este asociat cu colapsul stelar. O stea suficient de mare formează o gaură neagră după ce sinteza sa nucleară încetează, pentru că tot ce putea fi deja sintetizat a fost sintetizat. Când presiunea creată de sinteză încetează, substanța începe să cadă în propriul centru gravitațional, devenind mai densă. În final, este atât de compactat încât nimic nu poate depăși efectul gravitațional pe suprafața stelei: astfel se naste o gaură neagră. Aceste găuri negre sunt numite "găuri negre ale masei solare" și sunt cele mai frecvente.
Următorul tip comun de găuri negre sunt "găurile negre supermassive", care se găsesc în centrele multor galaxii și care au mase de aproximativ un miliard de ori mai mari decât găurile negre ale masei solare. Deși este sigur că nu se știe exact cum sunt formate. Se crede că odată ce au început ca găuri negre ale masei solare, care în centrele galactice dens populate au absorbit multe alte stele și au crescut. Cu toate acestea, ele par să absoarbă substanța mai repede decât sugerează această simplă idee, și modul în care o fac este încă subiectul cercetării.
Ideea mai controversată a devenit găurile negre primare, care ar putea fi formate de aproape orice masă în fluctuații de densitate mare în universul timpuriu. Deși este posibil, este dificil să găsim un model care le produce, fără a crea prea multe dintre ele.
În cele din urmă, există o idee foarte speculativă conform căreia se pot forma mici gauri negre, cu mase aproape de masa bosonului Higgs, la Coordonatorul de Large Hadron Collider. Aceasta funcționează numai dacă universul nostru are dimensiuni suplimentare. Până în prezent nu au existat confirmări în favoarea acestei teorii.
De unde știm că există găuri negre?
Avem multe dovezi observaționale despre existența unor obiecte compacte cu mase mari care nu emit lumină. Aceste obiecte se traduc prin atracție gravitațională, de exemplu, datorită mișcării altor stele sau nori de gaz în jurul lor. De asemenea, ele creează lentilă gravitațională. Știm că aceste obiecte nu au o suprafață solidă. Acest lucru rezultă din observații, deoarece substanța, care intră pe obiect cu suprafața, trebuie să determine ejecția unui număr mai mare de particule decât substanța care se încadrează în orizont.
De ce a spus Hawking anul trecut că găurile negre nu există?
El a vrut să spună că găurile negre nu au un orizont de eveniment etern, ci doar un orizont aparent temporar (a se vedea punctul 1). În sensul strict, numai orizontul evenimentului este considerat o gaură neagră.
Cum gaurile negre emit radiatii?
Găurile negre emit radiații din cauza efectelor cuantice. Este important de observat că acestea sunt efectele cuantice ale materiei și nu efectele cuantice ale gravitației. Timpul-spațiu dinamic al găurii negre care se prăbușește modifică definiția particulei în sine. Ca și fluxul de timp, care este distorsionat în apropierea găurii negre, conceptul de particule este prea dependent de observator. În special, atunci când un observator care se încadrează într-o gaură neagră consideră că se află într-un vid, observatorul departe de gaura neagră consideră că nu este un vid, ci o particulă plină de particule. Este extensia spațiului-timp care provoacă acest efect.
Primul descoperit de către Stephen Hawking, emis de o radiație cu gaură neagră, se numește "radiația Hawking". Această radiație are o temperatură invers proporțională cu masa găurii negre: cu cât este mai mică gaura neagră, cu atât este mai mare temperatura. În gaurile negre de tip stea și supermassive, pe care le cunoaștem, temperatura este mult mai scăzută decât temperatura fundalului cu microunde și, prin urmare, nu este respectată.
Care este paradoxul informațiilor?
Paradoxul pierderii informației este cauzat de radiația Hawking. Această radiație este pur termică, adică are o temperatură aleatoare și numai anumite proprietăți. Radiația însăși nu conține nicio informație despre modul în care sa format o gaură neagră. Dar când o gaură neagră emite radiații, aceasta pierde mase și se micsorează. Toate acestea sunt complet independente de substanța care a devenit parte din gaura neagră sau din care a fost formată. Se pare că, știind doar starea finală de evaporare, este imposibil să spunem de ce a format o gaură neagră. Acest proces este "ireversibil" - și încurcătura este că nu există un astfel de proces în mecanica cuantică.
Se pare că evaporarea unei găuri negre este incompatibilă cu teoria cuantică pe care o cunoaștem, iar cu aceasta trebuie să facem ceva. Cumva elimina inconsecvența. Majoritatea fizicienilor cred că soluția este că radiația Hawking trebuie să conțină informații cumva.
Ce oferă Hawking pentru rezolvarea paradoxului informațional al unei găuri negre?
În momentul de față suntem siguri că există găuri negre, știm unde sunt, cum se formează și cu ce vor sfârși. Dar detaliile unde se îndreaptă informația care intră în ele reprezintă încă una dintre cele mai mari mistere ale universului.