עבור מדענים מודרניים, חור שחור הוא אחת התופעות המסתוריות ביותר ביקום שלנו. לימוד חפצים כאלה קשה, לא ניתן לנסות אותם "מניסיון". המסה, הצפיפות של החומר של חור שחור, תהליכי היווצרותו של האובייקט הזה, הממדים - כל זה מעורר עניין בקרב מומחים, ולעתים - תמיהה. בואו נשקול את הנושא ביתר פירוט. ראשית, בואו ננתח מהו אובייקט כזה.
מידע כללי
תכונה מדהימה של עצם קוסמי היא השילוב של רדיוס קטן, צפיפות גבוהה של חומר חור שחור ומסה גדולה להפליא. כל התכונות הפיזיקליות המוכרות כיום של חפץ כזה נראים מוזרים למדענים, לעתים בלתי מוסברים. אפילו האסטרופיזיקאים המנוסים ביותר עדיין נדהמים מהמוזרויות של תופעות כאלה. המאפיין העיקרי המאפשר למדענים לזהות חור שחור הוא אופק האירועים, כלומר הגבול שבגללושום דבר לא חוזר, כולל האור. אם אזור מופרד לצמיתות, גבול ההפרדה מוגדר כאופק האירועים. עם הפרדה זמנית, נוכחותו של אופק גלוי קבועה. לפעמים זמני הוא מושג רופף מאוד, כלומר, האזור עשוי להיות מופרד לתקופה העולה על הגיל הנוכחי של היקום. אם יש אופק גלוי שקיים לאורך זמן, קשה להבחין בינו לבין אופק האירועים.
במובנים רבים, תכונותיו של חור שחור, צפיפות החומר היוצר אותו, נובעות מתכונות פיזיקליות אחרות הפועלות בחוקי העולם שלנו. אופק האירועים של חור שחור סימטרי כדורית הוא כדור שקוטרו נקבע על פי המסה שלו. ככל שהמסה נמשכת פנימה, כך החור גדול יותר. ובכל זאת הוא נשאר קטן באופן מפתיע על רקע כוכבים, שכן לחץ הכבידה דוחס הכל בפנים. אם נדמיין חור שהמסה שלו מתאימה לכוכב הלכת שלנו, אז הרדיוס של עצם כזה לא יעלה על כמה מילימטרים, כלומר, הוא יהיה פחות מכדור הארץ בעשרה מיליארד. הרדיוס נקרא על שמו של שוורצשילד, המדען שהסיק לראשונה חורים שחורים כפתרון לתורת היחסות הכללית של איינשטיין.
ובפנים?
לאחר שנכנס לחפץ כזה, לא סביר שאדם יבחין בצפיפות עצומה על עצמו. התכונות של חור שחור אינן מובנות היטב כדי לוודא מה יקרה, אבל מדענים מאמינים שלא ניתן לחשוף שום דבר מיוחד כשחוצים את האופק. זה מוסבר על ידי איינשטיין המקבילעיקרון המסביר מדוע השדה שיוצר את עקמומיות האופק והתאוצה הטבועה במישור אינם שונים עבור המתבונן. כאשר עוקבים אחר תהליך החצייה מרחוק, ניתן לראות שהעצם מתחיל להאט סמוך לאופק, כאילו הזמן עובר לאט במקום הזה. לאחר זמן מה, האובייקט יחצה את האופק, ייפול לרדיוס שוורצשילד.
צפיפות החומר בחור שחור, המסה של עצם, ממדיו וכוחות הגאות והשפל שלו, ושדה הכבידה קשורים קשר הדוק. ככל שהרדיוס גדול יותר, הצפיפות נמוכה יותר. הרדיוס גדל עם המשקל. כוחות הגאות והשפל עומדים ביחס הפוך למשקל בריבוע, כלומר, ככל שהממדים גדלים והצפיפות יורדת, כוחות הגאות והשפל של העצם יורדים. ניתן יהיה להתגבר על האופק לפני שמבחינים בעובדה זו אם מסת העצם גדולה מאוד. בימיה הראשונים של תורת היחסות הכללית האמינו שיש ייחוד באופק, אך התברר שלא כך הדבר.
אודות צפיפות
כפי שמחקרים הראו, הצפיפות של חור שחור, בהתאם למסה, יכולה להיות פחות או יותר. עבור אובייקטים שונים, מחוון זה משתנה, אך תמיד פוחת עם הגדלת הרדיוס. עלולים להופיע חורים סופר מסיביים, הנוצרים בצורה נרחבת עקב הצטברות חומר. בממוצע, הצפיפות של עצמים כאלה, שהמסה שלהם מתאימה למסה הכוללת של כמה מיליארדי תאורה במערכת שלנו, קטנה מצפיפות המים. לפעמים זה דומה לרמת צפיפות הגז. כוח הגאות והשפל של עצם זה מופעל כבר לאחר שהצופה חוצה את האופקאירועים. החוקר ההיפותטי לא ייפגע כשהתקרב לאופק, וייפול אלפי קילומטרים אם ימצא הגנה מפלסמת הדיסק. אם המתבונן לא יביט לאחור, הוא לא ישים לב שהאופק נחצה, ואם יפנה את ראשו, כנראה יראה קרני אור קפואות באופק. הזמן של המתבונן יזרום לאט מאוד, הוא יוכל לעקוב אחר אירועים ליד החור עד לרגע המוות - או היא או היקום.
כדי לקבוע את הצפיפות של חור שחור סופר מסיבי, עליך לדעת את המסה שלו. מצא את הערך של כמות זו ואת נפח שוורצשילד הטבוע באובייקט החלל. בממוצע, אינדיקטור כזה, על פי אסטרופיזיקאים, קטן במיוחד. באחוז מרשים מהמקרים הוא נמוך מרמת צפיפות האוויר. התופעה מוסברת כך. רדיוס שוורצשילד קשור ישירות למשקל, בעוד שהצפיפות קשורה ביחס הפוך לנפח, ומכאן לרדיוס שוורצשילד. הנפח קשור ישירות לרדיוס הקוביות. המסה גדלה באופן ליניארי. בהתאם לכך, הנפח גדל מהר יותר מהמשקל, והצפיפות הממוצעת הולכת ונעשית קטנה יותר, ככל שרדיוס האובייקט הנחקר גדול יותר.
סקרן לדעת
כוח הגאות והשפל הטמון בחור הוא שיפוע של כוח הכבידה, שהוא די גדול באופק, כך שאפילו פוטונים לא יכולים לברוח מכאן. יחד עם זאת, העלייה בפרמטר מתרחשת בצורה חלקה למדי, מה שמאפשר למתבונן להתגבר על האופק ללא סיכון לעצמו.
מחקרים על הצפיפות של חור שחור במרכז האובייקט עדיין מוגבל יחסית. אסטרופיזיקאים קבעו שככל שהסינגולריות המרכזית קרובה יותר, כך רמת הצפיפות גבוהה יותר. מנגנון החישוב שהוזכר קודם לכן מאפשר לך לקבל מושג ממוצע מאוד על מה שקורה.
למדענים יש רעיונות מוגבלים ביותר לגבי מה שקורה בחור, המבנה שלו. לפי אסטרופיזיקאים, התפלגות הצפיפות בחור אינה משמעותית במיוחד עבור צופה מבחוץ, לפחות ברמה הנוכחית. מפרט הרבה יותר אינפורמטיבי של כוח המשיכה, משקל. ככל שהמסה גדולה יותר, כך המרכז, האופק, מופרדים זה מזה חזק יותר. יש גם הנחות כאלה: ממש מעבר לאופק, החומר נעדר באופן עקרוני, ניתן לזהות אותו רק במעמקי האובייקט.
האם מספרים ידועים?
מדענים חשבו על הצפיפות של חור שחור במשך זמן רב. בוצעו מחקרים מסוימים, נעשו ניסיונות לחשב. הנה אחד מהם.
מסת השמש היא 210^30 ק"ג. חור יכול להיווצר באתר של עצם שגדול פי כמה מהשמש. הצפיפות של החור הקל ביותר מוערכת בממוצע של 10^18 ק"ג/מ"ר3. זהו סדר גודל גבוה מצפיפות הגרעין של אטום. בערך אותו הבדל מרמת הצפיפות הממוצעת האופיינית לכוכב נויטרונים.
אפשרי קיומם של חורים קלים במיוחד, שמידותיהם תואמות לחלקיקים תת-גרעיניים. עבור עצמים כאלה, אינדקס הצפיפות יהיה גדול באופן בלתי אפשרי.
אם כוכב הלכת שלנו יהפוך לחור, הצפיפות שלו תהיה בערך 210^30 ק"ג/מ"ר3. עם זאת, מדענים לא הצליחולחשוף את התהליכים שכתוצאה מהם ניתן להפוך את בית החלל שלנו לחור שחור.
על המספרים ביתר פירוט
צפיפות החור השחור במרכז שביל החלב מוערכת ב-1.1 מיליון ק"ג/מ"ר3. המסה של עצם זה תואמת ל-4 מיליון מסות שמש. רדיוס החור מוערך ב-12 מיליון ק"מ. הצפיפות המצוינת של החור השחור במרכז שביל החלב נותנת מושג על הפרמטרים הפיזיקליים של חורים סופר מסיביים.
אם משקלו של עצם כלשהו הוא 10^38 ק ג, כלומר, הוא מוערך בכ-100 מיליון שמשות, אז הצפיפות של עצם אסטרונומי תתאים לרמת הצפיפות של גרניט שנמצאת על הפלנטה שלנו.
בין כל החורים המוכרים לאסטרופיזיקאים המודרניים, אחד החורים הכבדים ביותר נמצא בקוואזר OJ 287. משקלו תואם ל-18 מיליארד מאורות של המערכת שלנו. מהי הצפיפות של חור שחור, חישבו מדענים ללא קושי רב. השווי התברר כנמוך כל-כך. זה רק 60 גרם/מ"ר3. לשם השוואה: לאוויר האטמוספרי של כוכב הלכת שלנו יש צפיפות של 1.29 מ"ג/מ"ר3.
מאיפה מגיעים חורים?
מדענים לא רק ערכו מחקר כדי לקבוע את הצפיפות של חור שחור בהשוואה לכוכב של המערכת שלנו או לגופים קוסמיים אחרים, אלא גם ניסו לקבוע מהיכן מגיעים חורים, מהם המנגנונים להיווצרותם של חור שחור. חפצים מסתוריים. עכשיו יש רעיון של ארבע דרכים להופעת חורים. האפשרות המובנת ביותר היא קריסת כוכב. כאשר הוא הופך גדול, הסינתזה בגרעין הושלמה,הלחץ נעלם, החומר נופל למרכז הכובד, אז נוצר חור. ככל שמתקרבים למרכז, הצפיפות גדלה. במוקדם או במאוחר, האינדיקטור הופך למשמעותי עד כדי כך שעצמים חיצוניים אינם מסוגלים להתגבר על השפעות הכבידה. מנקודה זו ואילך, מופיע חור חדש. סוג זה נפוץ יותר מאחרים ונקרא חורי מסת שמש.
סוג אחר של חור נפוץ למדי הוא חור סופר-מסיבי. אלה נצפים לעתים קרובות יותר במרכזים גלקטיים. מסת העצם בהשוואה לחור המסה הסולארית שתואר לעיל גדולה פי מיליארדי. מדענים עדיין לא ביססו את תהליכי הביטוי של עצמים כאלה. ההנחה היא שתחילה נוצר חור על פי המנגנון שתואר לעיל, ואז נספגים כוכבים שכנים, מה שמוביל לצמיחה. זה אפשרי אם אזור הגלקסיה מאוכלס בצפיפות. ספיגת החומר מתרחשת מהר יותר ממה שהסכמה שלעיל יכולה להסביר, ומדענים עדיין לא יכולים לנחש כיצד מתקדמת הקליטה.
הנחות ורעיונות
נושא קשה מאוד עבור אסטרופיזיקאים הוא חורים קדמוניים. כאלה, כנראה, מופיעים מכל מסה. הם יכולים להיווצר בתנודות גדולות. כנראה, הופעת חורים כאלה התרחשה ביקום המוקדם. עד כה, מחקרים המוקדשים לאיכויות, תכונות (כולל צפיפות) של חורים שחורים, תהליכי הופעתם אינם מאפשרים לנו לקבוע מודל שמשחזר במדויק את תהליך הופעתו של חור ראשוני. המודלים המוכרים כיום הם בעיקר כאלה שאם היו מיושמים במציאות,יהיו יותר מדי חורים.
הנח כי מאיץ ההדרונים הגדול יכול להפוך למקור היווצרות של חור, שהמסה שלו מתאימה לבוזון היגס. בהתאם לכך, צפיפות החור השחור תהיה גדולה מאוד. אם תיאוריה כזו מאושרת, היא יכולה להיחשב ראיה עקיפה לנוכחותם של מימדים נוספים. נכון לעכשיו, מסקנה ספקולטיבית זו טרם אושרה.
קרינה מחור
פליטת חור מוסברת על ידי ההשפעות הקוונטיות של החומר. החלל דינמי ולכן החלקיקים כאן שונים לחלוטין ממה שהורגלנו אליו. ליד החור, לא רק הזמן מעוות; ההבנה של חלקיק תלויה במידה רבה במי שמתבונן בו. אם מישהו נופל לחור, נראה לו שהוא צולל לתוך ואקום, ולמתבונן מרוחק זה נראה כמו אזור מלא בחלקיקים. ההשפעה מוסברת על ידי מתיחה של זמן ומרחב. את הקרינה מהחור זיהה לראשונה הוקינג, ששמו ניתן לתופעה. לקרינה יש טמפרטורה שהיא ביחס הפוך למסה. ככל שמשקלו של עצם אסטרונומי נמוך יותר, כך הטמפרטורה גבוהה יותר (כמו גם הצפיפות של חור שחור). אם החור הוא סופר-מסיבי או בעל מסה דומה לכוכב, הטמפרטורה המובנית של הקרינה שלו תהיה נמוכה מרקע המיקרוגל. בגלל זה, לא ניתן לצפות בה.
קרינה זו מסבירה את אובדן הנתונים. זהו שמה של תופעה תרמית, שיש לה איכות אחת מובהקת - טמפרטורה. אין מידע על תהליכי היווצרות החורים במהלך המחקר, אבל עצם שפולט קרינה כזו מאבד מסה בו זמנית (ולכן גדלצפיפות החור השחור) מופחתת. התהליך אינו נקבע לפי החומר ממנו נוצר החור, אינו תלוי במה שנשאב לתוכו מאוחר יותר. מדענים לא יכולים לומר מה הפך לבסיס החור. יתרה מכך, מחקרים הראו שקרינה היא תהליך בלתי הפיך, כלומר כזה שפשוט לא יכול להתקיים במכניקת הקוונטים. המשמעות היא שלא ניתן ליישב קרינה עם תורת הקוונטים, וחוסר העקביות מצריך עבודה נוספת בכיוון זה. בעוד שמדענים מאמינים שקרינת הוקינג צריכה להכיל מידע, פשוט אין לנו עדיין את האמצעים ואת היכולות לזהות אותו.
סקרן: לגבי כוכבי נויטרונים
אם יש ענק על, זה לא אומר שגוף אסטרונומי כזה הוא נצחי. עם הזמן, זה משתנה, משליך את השכבות החיצוניות. ננסים לבנים עשויים לצאת מהשרידים. האפשרות השנייה היא כוכבי נויטרונים. תהליכים ספציפיים נקבעים על ידי המסה הגרעינית של הגוף הראשוני. אם היא נאמדת בטווח של 1.4-3 שמש, הרי שהרס הענק העל מלווה בלחץ גבוה מאוד, שבגללו האלקטרונים, כביכול, נלחצים לתוך הפרוטונים. זה מוביל להיווצרות נויטרונים, פליטת נויטרינו. בפיזיקה זה נקרא גז ניוטרונים. הלחץ שלה הוא כזה שהכוכב לא יכול להתכווץ יותר.
עם זאת, כפי שהוכיחו מחקרים, כנראה שלא כל כוכבי הנויטרונים הופיעו בצורה זו. חלקם הם שרידים של גדולים שהתפוצצו כמו סופרנובה שנייה.
רדיוס הגוף של טוםפחות מיותר מסה. לרוב זה משתנה בין 10-100 ק"מ. מחקרים בוצעו כדי לקבוע את הצפיפות של חורים שחורים, כוכבי נויטרונים. עבור השני, כפי שהראו בדיקות, הפרמטר קרוב יחסית לזה האטומי. נתונים ספציפיים שנקבעו על ידי אסטרופיזיקאים: 10^10 גרם/ס"מ3.
סקרן לדעת: תיאוריה ופרקטיקה
כוכבי ניוטרון נחזו בתיאוריה בשנות ה-60 וה-70 של המאה הקודמת. פולסרים היו הראשונים שהתגלו. מדובר בכוכבים קטנים, שמהירות הסיבוב שלהם גבוהה מאוד, והשדה המגנטי הוא באמת גרנדיוזי. ההנחה היא שהפולסר יורש את הפרמטרים הללו מהכוכב המקורי. תקופת הסיבוב משתנה בין אלפיות שניות למספר שניות. הפולסרים הידועים הראשונים פלטו פליטת רדיו תקופתית. כיום ידועים פולסרים עם קרינת ספקטרום רנטגן, קרינת גמא.
התהליך המתואר של היווצרות כוכבי נויטרונים יכול להימשך - אין דבר שיכול לעצור אותו. אם המסה הגרעינית היא יותר משלוש מסות שמש, אז הגוף הנקודתי הוא קומפקטי מאוד, הוא מכונה חורים. לא ניתן יהיה לקבוע את תכונותיו של חור שחור בעל מסה גדולה מהקריטית. אם חלק מהמסה יאבד עקב קרינת הוקינג, הרדיוס יקטן בו-זמנית, כך שערך המשקל יהיה שוב קטן מהערך הקריטי עבור עצם זה.
האם חור יכול למות?
מדענים העלו הנחות לגבי קיומם של תהליכים עקב השתתפותם של חלקיקים ואנטי-חלקיקים. תנודת האלמנטים יכולה לגרום לאפיון החלל הריקרמת אנרגיה אפס, אשר (הנה פרדוקס!) לא תהיה שווה לאפס. במקביל, אופק האירועים הטבוע בגוף יקבל ספקטרום נמוך באנרגיה הטבועה בגוף השחור המוחלט. קרינה כזו תגרום לאובדן מסה. האופק יתכווץ מעט. נניח שיש שני זוגות של חלקיק והאנטגוניסט שלו. יש השמדה של חלקיק מזוג אחד והאנטגוניסט שלו מזוג אחר. כתוצאה מכך, ישנם פוטונים שעפים החוצה מהחור. הזוג השני של החלקיקים המוצעים נופל לתוך החור, בו זמנית סופג כמות מסוימת של מסה, אנרגיה. בהדרגה, זה מוביל למותו של החור השחור.
כמסקנה
לפי חלקם, חור שחור הוא סוג של שואב אבק קוסמי. חור יכול לבלוע כוכב, הוא יכול אפילו "לאכול" גלקסיה. במובנים רבים, ניתן למצוא בתורת היחסות את ההסבר לתכונותיו של חור, כמו גם לתכונות היווצרותו. ידוע ממנו שהזמן רציף, כמו גם המרחב. זה מסביר מדוע לא ניתן לעצור תהליכי דחיסה, הם בלתי מוגבלים ובלתי מוגבלים.
אלו הם החורים השחורים המסתוריים האלה, שמעליהם אסטרופיזיקאים מטילים את מוחם כבר יותר מעשור.
