Das Universum befindet sich in einem Schwarzen Loch. Unglaubliche Theorie der Physiker: Unser Universum befindet sich in einem riesigen Schwarzen Loch

Das Konzept eines Schwarzen Lochs ist jedem bekannt – vom Schulkind bis zum älteren Menschen; es wird in der Science- und Fiction-Literatur, in den gelben Medien und auf wissenschaftlichen Konferenzen verwendet. Doch was genau solche Löcher sind, ist nicht jedem bekannt.

Aus der Geschichte der Schwarzen Löcher

1783 Die erste Hypothese über die Existenz eines solchen Phänomens wie eines Schwarzen Lochs wurde 1783 vom englischen Wissenschaftler John Michell aufgestellt. In seiner Theorie kombinierte er zwei von Newtons Schöpfungen – Optik und Mechanik. Michells Idee war folgende: Wenn Licht ein Strom winziger Teilchen ist, dann sollten die Teilchen wie alle anderen Körper die Anziehungskraft eines Gravitationsfeldes erfahren. Es stellt sich heraus, dass es für das Licht umso schwieriger ist, seiner Anziehungskraft zu widerstehen, je massereicher der Stern ist. 13 Jahre nach Michell stellte der französische Astronom und Mathematiker Laplace (höchstwahrscheinlich unabhängig von seinem britischen Kollegen) eine ähnliche Theorie auf.

1915 Alle ihre Werke blieben jedoch bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts unbeansprucht. Im Jahr 1915 veröffentlichte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie und zeigte, dass die Schwerkraft die durch Materie verursachte Krümmung der Raumzeit ist. Einige Monate später nutzte der deutsche Astronom und theoretische Physiker Karl Schwarzschild sie, um ein spezifisches astronomisches Problem zu lösen. Er erforschte die Struktur der gekrümmten Raumzeit um die Sonne und entdeckte das Phänomen der Schwarzen Löcher wieder.

(John Wheeler prägte den Begriff „Schwarze Löcher“)

1967 Der amerikanische Physiker John Wheeler skizzierte einen Raum, der wie ein Stück Papier zu einem unendlich kleinen Punkt zerknittert werden kann, und bezeichnete ihn mit dem Begriff „Schwarzes Loch“.

1974 Der britische Physiker Stephen Hawking hat bewiesen, dass Schwarze Löcher, obwohl sie Materie ohne Rückkehr absorbieren, Strahlung aussenden und schließlich verdampfen können. Dieses Phänomen wird „Hawking-Strahlung“ genannt.

2013 Die neueste Forschung zu Pulsaren und Quasaren sowie die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung haben es endlich möglich gemacht, das Konzept der Schwarzen Löcher zu beschreiben. Im Jahr 2013 kam die Gaswolke G2 dem Schwarzen Loch sehr nahe und wird höchstwahrscheinlich von diesem absorbiert. Die Beobachtung eines einzigartigen Prozesses bietet enorme Möglichkeiten für neue Entdeckungen der Merkmale von Schwarzen Löchern.

(Das massereiche Objekt Sagittarius A* hat eine 4 Millionen Mal größere Masse als die Sonne, was auf eine Ansammlung von Sternen und die Bildung eines Schwarzen Lochs schließen lässt)

2017. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der länderübergreifenden Zusammenarbeit Event Horizon Telescope, die acht Teleskope von verschiedenen Punkten auf den Kontinenten der Erde verbindet, beobachtete ein Schwarzes Loch, ein supermassereiches Objekt in der Galaxie M87 im Sternbild Jungfrau. Die Masse des Objekts beträgt 6,5 Milliarden (!) Sonnenmassen, gigantische Male größer als zum Vergleich das massereiche Objekt Sagittarius A*, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Abstand der Sonne zu Pluto.

Die Beobachtungen wurden in mehreren Phasen durchgeführt, beginnend im Frühjahr 2017 und über die Zeiträume des Jahres 2018 hinweg. Die Informationsmenge belief sich auf Petabyte, die dann entschlüsselt werden musste, um ein echtes Bild eines extrem weit entfernten Objekts zu erhalten. Daher dauerte es noch einmal zwei Jahre, alle Daten gründlich zu verarbeiten und zu einem Ganzen zusammenzuführen.

2019 Die Daten wurden erfolgreich entschlüsselt und angezeigt, wodurch das erste Bild eines Schwarzen Lochs überhaupt entstand.

(Das erste Bild eines Schwarzen Lochs in der Galaxie M87 im Sternbild Jungfrau)

Die Bildauflösung ermöglicht es Ihnen, den Schatten des Punkts ohne Wiederkehr in der Mitte des Objekts zu sehen. Das Bild wurde als Ergebnis interferometrischer Beobachtungen mit ultralanger Basislinie erhalten. Hierbei handelt es sich um sogenannte synchrone Beobachtungen eines Objekts durch mehrere durch ein Netzwerk verbundene Radioteleskope, die sich in verschiedenen Teilen der Erde befinden und in die gleiche Richtung gerichtet sind.

Was schwarze Löcher eigentlich sind

Eine lakonische Erklärung des Phänomens sieht so aus.

Ein Schwarzes Loch ist ein Raum-Zeit-Bereich, dessen Anziehungskraft so stark ist, dass kein Objekt, auch keine Lichtquanten, ihn verlassen kann.

Das Schwarze Loch war einst ein massereicher Stern. Solange thermonukleare Reaktionen in seinen Tiefen einen hohen Druck aufrechterhalten, bleibt alles normal. Doch mit der Zeit geht der Energievorrat zur Neige und der Himmelskörper beginnt unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft zu schrumpfen. Die letzte Phase dieses Prozesses ist der Kollaps des Sternkerns und die Bildung eines Schwarzen Lochs.

• 1. Ein Schwarzes Loch stößt einen Jet mit hoher Geschwindigkeit aus


• 2. Eine Materiescheibe wächst zu einem Schwarzen Loch heran


• 3. Schwarzes Loch


• 4. Detailliertes Diagramm der Region des Schwarzen Lochs


• 5. Größe der neu gefundenen Beobachtungen

Die am weitesten verbreitete Theorie besagt, dass es in jeder Galaxie ähnliche Phänomene gibt, auch im Zentrum unserer Milchstraße. Die enorme Schwerkraft des Lochs ist in der Lage, mehrere Galaxien um sich herum festzuhalten und sie daran zu hindern, sich voneinander zu entfernen. Der „Abdeckungsbereich“ kann unterschiedlich sein, alles hängt von der Masse des Sterns ab, der sich in ein Schwarzes Loch verwandelt hat, und kann Tausende von Lichtjahren betragen.

Schwarzschild-Radius

Die Haupteigenschaft eines Schwarzen Lochs besteht darin, dass jegliche Substanz, die hineinfällt, niemals zurückkehren kann. Dasselbe gilt auch für Licht. Im Kern sind Löcher Körper, die das auf sie einfallende Licht vollständig absorbieren und kein eigenes Licht abgeben. Solche Objekte können visuell als Klumpen absoluter Dunkelheit erscheinen.

• 1. Materie mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegen


• 2. Photonenring


• 3. Innerer Photonenring


• 4. Ereignishorizont in einem Schwarzen Loch

Basierend auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie kann ein Körper nicht mehr zurückkehren, wenn er sich einem kritischen Abstand zum Zentrum des Lochs nähert. Dieser Abstand wird Schwarzschildradius genannt. Was genau innerhalb dieses Radius passiert, ist nicht sicher bekannt, aber es gibt die gängigste Theorie. Es wird angenommen, dass die gesamte Materie eines Schwarzen Lochs in einem unendlich kleinen Punkt konzentriert ist und sich in seinem Zentrum ein Objekt mit unendlicher Dichte befindet, was Wissenschaftler als singuläre Störung bezeichnen.

Wie kommt es dazu, dass man in ein Schwarzes Loch fällt?

(Auf dem Bild sieht das Schwarze Loch Sagittarius A* wie ein extrem heller Lichthaufen aus)

Vor nicht allzu langer Zeit, im Jahr 2011, entdeckten Wissenschaftler eine Gaswolke und gaben ihr den einfachen Namen G2, die ungewöhnliches Licht ausstrahlt. Dieses Leuchten könnte auf die Reibung im Gas und Staub zurückzuführen sein, die durch das Schwarze Loch Sagittarius A* verursacht wird, das es als Akkretionsscheibe umkreist. So werden wir zu Beobachtern des erstaunlichen Phänomens der Absorption einer Gaswolke durch ein supermassereiches Schwarzes Loch.

Aktuellen Studien zufolge wird die größte Annäherung an das Schwarze Loch im März 2014 erfolgen. Wir können uns ein Bild davon machen, wie dieses aufregende Spektakel stattfinden wird.

• 1. Wenn eine Gaswolke zum ersten Mal in den Daten auftaucht, ähnelt sie einer riesigen Kugel aus Gas und Staub.


• 2. Jetzt, im Juni 2013, ist die Wolke Dutzende Milliarden Kilometer vom Schwarzen Loch entfernt. Es fällt mit einer Geschwindigkeit von 2500 km/s hinein.


• 3. Es wird erwartet, dass die Wolke am Schwarzen Loch vorbeizieht, aber Gezeitenkräfte, die durch den Unterschied in der Schwerkraft an der Vorder- und Hinterkante der Wolke entstehen, werden dazu führen, dass sie eine zunehmend längliche Form annimmt.


• 4. Nachdem die Wolke auseinandergerissen ist, wird das meiste davon höchstwahrscheinlich in die Akkretionsscheibe um Sagittarius A* fließen und dort Stoßwellen erzeugen. Die Temperatur wird auf mehrere Millionen Grad steigen.


• 5. Ein Teil der Wolke wird direkt in das Schwarze Loch fallen. Niemand weiß genau, was als nächstes mit dieser Substanz passieren wird, aber es wird erwartet, dass sie beim Fallen starke Röntgenstrahlen aussendet und nie wieder gesehen wird.

Video: Schwarzes Loch verschluckt eine Gaswolke

(Computersimulation, wie viel der G2-Gaswolke vom Schwarzen Loch Sagittarius A* zerstört und verbraucht würde)

Was ist in einem Schwarzen Loch?

Es gibt eine Theorie, die besagt, dass ein Schwarzes Loch im Inneren praktisch leer ist und seine gesamte Masse in einem unglaublich kleinen Punkt in seinem Zentrum konzentriert ist – der Singularität.

Einer anderen Theorie zufolge, die seit einem halben Jahrhundert existiert, gelangt alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, in ein anderes Universum, das sich im Schwarzen Loch selbst befindet. Nun ist diese Theorie nicht die wichtigste.

Und es gibt eine dritte, modernste und hartnäckigste Theorie, nach der sich alles, was in ein Schwarzes Loch fällt, in den Schwingungen von Fäden auf seiner Oberfläche auflöst, die als Ereignishorizont bezeichnet wird.

Was ist also ein Ereignishorizont? Selbst mit einem superstarken Teleskop ist es unmöglich, in ein Schwarzes Loch zu blicken, da selbst Licht, das in den riesigen kosmischen Trichter eintritt, keine Chance hat, wieder herauszukommen. Alles, was zumindest irgendwie in Betracht gezogen werden kann, befindet sich in seiner unmittelbaren Nähe.

Der Ereignishorizont ist eine herkömmliche Oberflächenlinie, unter der nichts (weder Gas, noch Staub, noch Sterne, noch Licht) entweichen kann. Und dies ist der sehr mysteriöse Punkt ohne Wiederkehr in den Schwarzen Löchern des Universums.

Die Welt schuldet dir nichts – sie war schon vor dir hier.
- Mark Twain

Warum kollabierte das Universum nicht unmittelbar nach dem Urknall in ein Schwarzes Loch?

Das Universum ist heutzutage voll von allem. Unsere Galaxie ist ein kühles Durcheinander aus Sternen, Planeten, Gas, Staub und viel dunkler Materie, enthält 200 bis 400 Milliarden Sterne und wiegt eine Billion Mal mehr als unser gesamtes Sonnensystem. Aber unsere Galaxie ist nur eine von Billionen ähnlich großer Galaxien, die im gesamten Universum verstreut sind.

Aber egal wie massiv das Universum ist, diese Masse ist über einen riesigen Raum verteilt. Der beobachtbare Teil des Universums hat einen Durchmesser von etwa 92 Milliarden Lichtjahren, was im Vergleich zu den Grenzen unseres Sonnensystems schwer vorstellbar ist. Die Umlaufbahn von Pluto und anderen Objekten des Kuipergürtels beträgt 0,06 % eines Lichtjahrs. Daher haben wir eine riesige Masse, die auf ein riesiges Volumen verteilt ist. Und ich würde mir gerne vorstellen, wie sie zueinander stehen.

Nun, unsere Sonne wiegt 2*10^30 kg. Das bedeutet, dass es 10^57 Protonen und Neutronen enthält. Wenn wir bedenken, dass das Universum 10^24 Sonnenmassen gewöhnlicher Materie enthält, ergibt sich, dass eine Kugel mit einem Radius von 46 Milliarden Kilometern 10^81 Nukleonen enthält. Wenn wir die durchschnittliche Dichte des Universums berechnen, beträgt sie etwa zwei Protonen pro Kubikmeter. Und das ist GERING!

Wenn Sie also anfangen, über die frühe Phase der Entwicklung unseres Universums nachzudenken, als die gesamte Materie und Energie in einem sehr kleinen Raum gesammelt wurde, der viel kleiner war als sogar unser Sonnensystem, müssen wir über die Frage unseres Universums nachdenken Leser.

Als das Universum nach dem Urknall eine Pikosekunde alt war, befand sich die gesamte Materie, die jetzt in den Sternen, Galaxien, Haufen und Superhaufen des Universums enthalten ist, in einem Volumen, das kleiner als eine Kugel war und deren Radius dem aktuellen Radius der Erdumlaufbahn entsprach.

Und ohne von der Theorie abzuweichen, dass das gesamte Universum in ein so kleines Volumen passt, nehmen wir an, dass wir von bereits existierenden Schwarzen Löchern wissen, deren Masse viel geringer ist als die Masse des Universums und deren Größe viel größer ist der erwähnte Band!

Vor Ihnen befindet sich die riesige elliptische Galaxie Messier 87, die größte Galaxie in einer Entfernung von 50 Millionen Lichtjahren von uns, was 0,1 % des Radius des beobachtbaren Universums entspricht. In seinem Zentrum befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von 3,5 Milliarden Sonnenmassen. Das bedeutet, dass es einen Schwarzschild-Radius hat – oder den Radius, aus dem Licht nicht entweichen kann. Sie beträgt etwa 10 Milliarden Kilometer, was dem 70-fachen der Entfernung von der Erde zur Sonne entspricht.

Wenn also eine solche Masse in einem so kleinen Volumen zur Entstehung eines Schwarzen Lochs führt, warum führte dann eine 10^14-mal größere Masse in einem noch kleineren Volumen nicht zur Entstehung eines Schwarzen Lochs, sondern offensichtlich zur Entstehung unseres Universums geführt?

Also hätte sie es fast nicht mitgebracht. Das Universum dehnt sich im Laufe der Zeit aus und seine Expansionsrate nimmt ab, je mehr wir uns in die Zukunft bewegen. In der fernen Vergangenheit, in den ersten Pikosekunden des Universums, war die Geschwindigkeit seiner Expansion viel, viel größer als heute. Wie viel mehr?

Heute expandiert das Universum mit einer Geschwindigkeit von etwa 67 km/s/Mpc, was bedeutet, dass sich mit jedem Megaparsec (etwa 3,26 Millionen Lichtjahre), das etwas von uns entfernt ist, die Entfernung zwischen uns und diesem Objekt mit einer Geschwindigkeit vergrößert von 67 Kilometern pro Sekunde. Als das Universum Pikosekunden alt war, lag diese Geschwindigkeit eher bei 10^46 km/s/MPc. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Diese heutige Expansionsrate würde dazu führen, dass sich jedes Materieatom auf der Erde so schnell von den anderen entfernt, dass der Abstand zwischen ihnen jede Sekunde um ein Lichtjahr zunehmen würde!

Diese Erweiterung beschreibt die obige Gleichung. Auf der einen Seite steht H, die Hubble-Expansionsrate des Universums, und auf der anderen Seite gibt es eine Menge Zeug. Aber das Wichtigste ist die Variable ρ, die die Energiedichte des Universums angibt. Wenn H und ρ perfekt im Gleichgewicht sind, kann das Universum sehr lange überleben. Aber selbst ein leichtes Ungleichgewicht führt zu einer von zwei sehr unangenehmen Folgen.

Wenn die Expansionsrate des Universums im Verhältnis zu seiner Masse und Energie etwas geringer wäre, würde unser Universum fast augenblicklich zusammenbrechen. Die Umwandlung in ein Schwarzes Loch oder Big Crunch würde sehr schnell erfolgen. Und wenn die Expansionsrate nur ein wenig höher wäre, würden sich die Atome überhaupt nicht miteinander verbinden. Alles würde sich so schnell ausdehnen, dass jedes subatomare Teilchen in seinem eigenen Universum existieren würde und nichts hätte, mit dem es interagieren könnte.

Wie unterschiedlich mussten die Expansionsraten sein, um so unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen? Auf 10 %? Um 1 %? Um 0,1 %?

Nimm es höher. Es bräuchte eine Differenz von weniger als 1/10^24, um dem Universum eine Lebensdauer von 10 Milliarden Jahren zu geben. Das heißt, selbst eine Differenz von 0,00000001 % von der aufgetretenen Expansionsrate würde ausreichen, damit das Universum in weniger als einer Sekunde wieder zusammenbricht, wenn die Expansion zu langsam wäre. Oder um zu verhindern, dass sich bei zu großer Ausdehnung auch nur ein einziges Heliumatom bildet.

Aber wir haben nichts davon: Wir haben ein Universum, das ein Beispiel für ein nahezu perfektes Gleichgewicht zwischen der Ausdehnung und Dichte von Materie und Strahlung ist, und der aktuelle Zustand unterscheidet sich vom idealen Gleichgewicht nur um eine sehr kleine kosmologische Konstante ungleich Null. Wir können noch nicht erklären, warum es existiert, aber vielleicht macht es Ihnen Spaß, zu studieren, was es nicht erklärt!

In einer im März von Nikodim Poplavsky von der Indiana University in Bloomington veröffentlichten Analyse der Bewegung von Teilchen, die in ein Schwarzes Loch eindringen, wurde gezeigt, dass in jedem Schwarzen Loch ein anderes Universum existieren könnte. „Vielleicht sind die riesigen Schwarzen Löcher im Zentrum der Milchstraße und anderer Galaxien ‚Brücken‘ zwischen verschiedenen Universen“, sagt Poplavsky. Wenn dies wahr ist, und es ist ein großes Wenn, dann schließt nichts die Möglichkeit aus, dass sich unser Universum ebenfalls in einem Schwarzen Loch befindet.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie (GTR) sind die Innenräume von Schwarzen Löchern Bereiche, in denen die Dichte der Materie unendlich ist. Unabhängig davon, ob es sich bei der Singularität um einen tatsächlichen Punkt unendlicher Dichte oder lediglich um eine mathematische Mehrdeutigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie handelt, „kollabieren“ Einsteins Gleichungen in einem Schwarzen Loch. In jedem Fall eliminiert die von Poplavsky verwendete modifizierte Version der Einstein-Gleichungen die Singularität vollständig.

Für seine Analyse griff Poplavsky auf eine Version von Einsteins Cartan-Keble-Sciam (KKS)-Schwerkrafttheorie zurück. Im Gegensatz zu Einsteins Gleichungen berücksichtigt die QCS-Gravitationstheorie den Spin oder Drehimpuls von Elementarteilchen. Durch die Berücksichtigung des Spins wird es möglich, die Raum-Zeit-Geometrie eines Schwarzen Lochs zu berechnen.

Wenn die Dichte der Materie im Inneren eines Schwarzen Lochs gigantische Ausmaße erreicht (mehr als 1050 Kilogramm pro Kubikmeter), manifestiert sich die Torsion als eine der Schwerkraft äquivalente Kraft. Dies verhindert Fragen zu unbegrenzten Komprimierungszeiten, um eine unendliche Dichte zu erreichen. Stattdessen, sagt Poplavsky, ordnet sich die Materie neu und beginnt sich erneut auszudehnen.

Poplavsky wandte diese Ideen auf ein Modell des Verhaltens der Raumzeit in einem Schwarzen Loch an. Das Szenario ähnelt dem, was passiert, wenn man eine Feder zusammendrückt: Poplavsky berechnete, dass zunächst die Schwerkraft die Abstoßungs- und Torsionskräfte überwindet und die Materie komprimiert hält, aber schließlich wird die Abstoßungskraft so stark, dass die Materie aufhört, sich zu komprimieren, und sich neu organisiert. Poplavskys Berechnungen zeigen, dass sich die Raumzeit im Inneren eines Schwarzen Lochs in nur 10 bis 46 Sekunden auf etwa das 1,4-fache seiner kleinsten Größe ausdehnt.

Diese erstaunlich schnelle Erholung, sagt Poplavsky, könnte der Grund für das expandierende Universum sein, das wir heute sehen.

Woher wissen wir, dass wir in einem Schwarzen Loch leben? Nun, ein rotierendes Schwarzes Loch würde der darin befindlichen Raumzeit etwas Drehung verleihen, und das würde sich als „bevorzugte Richtung“ in unserem Universum zeigen, sagt Poplavsky. Diese Vorzugsrichtung würde eine Eigenschaft der Raumzeit namens Lorentz-Symmetrie verletzen, die Raum und Zeit verbindet. Es wurde vermutet, dass solche Störungen durch die beobachteten Schwankungen von Neutrinos von einem Typ zum anderen verursacht werden könnten.

Leider macht es für uns keinen Sinn, im Inneren von Schwarzen Löchern nach anderen Welten zu suchen. Wenn man sich einem Schwarzen Loch nähert, wird die Zeit durch die Zunahme des Gravitationsfelds immer langsamer. Daher wird für einen externen Beobachter ein neues Universum im Inneren erst erscheinen, nachdem eine unendliche Zeitspanne vergangen ist.

S. TRANKOVSKY

Zu den wichtigsten und interessantesten Problemen der modernen Physik und Astrophysik zählte der Akademiker V.L. Ginzburg Probleme im Zusammenhang mit Schwarzen Löchern (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 11, 12, 1999). Die Existenz dieser seltsamen Objekte wurde vor mehr als zweihundert Jahren vorhergesagt, die Bedingungen, die zu ihrer Entstehung führten, wurden Ende der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts genau berechnet und die Astrophysik begann vor weniger als vierzig Jahren, sie ernsthaft zu untersuchen. Heute veröffentlichen wissenschaftliche Zeitschriften auf der ganzen Welt jährlich Tausende von Artikeln über Schwarze Löcher.

Die Entstehung eines Schwarzen Lochs kann auf drei Arten erfolgen.

Auf diese Weise werden üblicherweise Vorgänge in der Umgebung eines kollabierenden Schwarzen Lochs dargestellt. Mit der Zeit (Y) schrumpft der Raum (X) um ihn herum (der schattierte Bereich) und strömt auf die Singularität zu.

Das Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs führt zu starken Verzerrungen der Raumgeometrie.

Ein durch ein Teleskop unsichtbares Schwarzes Loch offenbart sich nur durch seinen Gravitationseinfluss.

Im starken Gravitationsfeld eines Schwarzen Lochs entstehen Teilchen-Antiteilchen-Paare.

Die Geburt eines Teilchen-Antiteilchen-Paares im Labor.

WIE SIE ENTSTEHEN

Ein leuchtender Himmelskörper mit einer Dichte, die der der Erde entspricht, und einem Durchmesser, der zweihundertfünfzig Mal größer als der Durchmesser der Sonne ist, wird aufgrund der Schwerkraft nicht zulassen, dass sein Licht uns erreicht. Daher ist es möglich, dass die größten leuchtenden Körper im Universum gerade aufgrund ihrer Größe unsichtbar bleiben.
Pierre Simon Laplace.
Darstellung des Weltsystems. 1796

Im Jahr 1783 führten der englische Mathematiker John Mitchell und dreizehn Jahre später, unabhängig von ihm, der französische Astronom und Mathematiker Pierre Simon Laplace eine sehr seltsame Studie durch. Sie untersuchten die Bedingungen, unter denen Licht nicht in der Lage sein würde, dem Stern zu entkommen.

Die Logik der Wissenschaftler war einfach. Für jedes astronomische Objekt (Planet oder Stern) ist es möglich, die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit oder die zweite kosmische Geschwindigkeit zu berechnen, die es jedem Körper oder Teilchen ermöglicht, es für immer zu verlassen. Und in der damaligen Physik herrschte Newtons Theorie vor, nach der Licht ein Fluss von Teilchen ist (die Theorie der elektromagnetischen Wellen und Quanten war noch fast hundertfünfzig Jahre entfernt). Die Fluchtgeschwindigkeit von Teilchen lässt sich aus der Gleichheit der potentiellen Energie auf der Planetenoberfläche und der kinetischen Energie eines in unendlich große Entfernung „entkommenen“ Körpers berechnen. Diese Geschwindigkeit wird durch die Formel #1# bestimmt

Wo M- Masse des Weltraumobjekts, R- sein Radius, G- Gravitationskonstante.

Daraus können wir leicht den Radius eines Körpers einer bestimmten Masse ermitteln (später „Schwerkraftradius“ genannt). R g"), bei der die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist:

Dies bedeutet, dass ein Stern zu einer Kugel mit einem Radius komprimiert ist R G< 2GM/C 2 hört auf zu strahlen – das Licht kann es nicht verlassen. Im Universum wird ein Schwarzes Loch entstehen.

Es lässt sich leicht berechnen, dass sich die Sonne (ihre Masse beträgt 2,1033 g) in ein Schwarzes Loch verwandelt, wenn sie sich auf einen Radius von etwa 3 Kilometern zusammenzieht. Die Dichte seiner Substanz wird 10 16 g/cm 3 erreichen. Der Radius der zu einem Schwarzen Loch komprimierten Erde würde sich auf etwa einen Zentimeter verringern.

Es schien unglaublich, dass es Kräfte in der Natur geben könnte, die einen Stern auf eine so unbedeutende Größe komprimieren könnten. Daher galten die Schlussfolgerungen aus den Arbeiten von Mitchell und Laplace mehr als hundert Jahre lang als eine Art mathematisches Paradoxon, das keine physikalische Bedeutung hatte.

Ein strenger mathematischer Beweis dafür, dass solch ein exotisches Objekt im Weltraum möglich war, wurde erst 1916 erbracht. Der deutsche Astronom Karl Schwarzschild kam nach der Analyse der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu einem interessanten Ergebnis. Nachdem er die Bewegung eines Teilchens im Gravitationsfeld eines massiven Körpers untersucht hatte, kam er zu dem Schluss: Die Gleichung verliert ihre physikalische Bedeutung (ihre Lösung geht ins Unendliche), wenn R= 0 und R = R G.

Die Punkte, an denen die Eigenschaften des Feldes ihre Bedeutung verlieren, werden singulär, also speziell, genannt. Die Singularität im Nullpunkt spiegelt die punktweise oder, was dasselbe ist, die zentralsymmetrische Struktur des Feldes wider (schließlich kann jeder kugelförmige Körper – ein Stern oder ein Planet – als materieller Punkt dargestellt werden). Und Punkte auf einer Kugeloberfläche mit einem Radius R g bilden genau die Oberfläche, von der aus die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird sie Schwarzschild-Singulärsphäre oder Ereignishorizont genannt (warum wird später klar werden).

Bereits am Beispiel uns bekannter Objekte – der Erde und der Sonne – wird deutlich, dass Schwarze Löcher sehr seltsame Objekte sind. Selbst Astronomen, die sich mit Materie bei extremen Temperatur-, Dichte- und Druckwerten befassen, halten sie für sehr exotisch, und bis vor Kurzem glaubte nicht jeder an ihre Existenz. Erste Hinweise auf die Möglichkeit der Entstehung Schwarzer Löcher fanden sich jedoch bereits in der Allgemeinen Relativitätstheorie von A. Einstein aus dem Jahr 1915. Der englische Astronom Arthur Eddington, einer der ersten Interpreten und Popularisierer der Relativitätstheorie, leitete in den 30er Jahren ein Gleichungssystem ab, das die innere Struktur von Sternen beschreibt. Daraus folgt, dass sich der Stern unter dem Einfluss entgegengesetzt gerichteter Gravitationskräfte und Innendruck, der durch die Bewegung heißer Plasmateilchen im Inneren des Sterns und den in seinen Tiefen erzeugten Strahlungsdruck entsteht, im Gleichgewicht befindet. Dies bedeutet, dass der Stern eine Gaskugel ist, in deren Zentrum eine hohe Temperatur herrscht, die zur Peripherie hin allmählich abnimmt. Insbesondere aus den Gleichungen folgte, dass die Oberflächentemperatur der Sonne etwa 5500 Grad betrug (was durchaus mit den Daten astronomischer Messungen übereinstimmte) und in ihrem Zentrum etwa 10 Millionen Grad betragen sollte. Dies ermöglichte es Eddington, eine prophetische Schlussfolgerung zu ziehen: Bei dieser Temperatur „zündet“ eine thermonukleare Reaktion, die ausreicht, um das Leuchten der Sonne sicherzustellen. Damit waren die damaligen Atomphysiker nicht einverstanden. Es kam ihnen so vor, als sei es in den Tiefen des Sterns zu „kalt“: Die Temperatur reichte dort nicht aus, um die Reaktion „durchgehen“ zu lassen. Darauf antwortete der wütende Theoretiker: „Suchen Sie nach einem heißeren Ort!“

Und am Ende hatte er Recht: Im Zentrum des Sterns findet tatsächlich eine thermonukleare Reaktion statt (eine andere Sache ist, dass sich offenbar das sogenannte „Standard-Sonnenmodell“ herausgestellt hat, das auf Ideen zur thermonuklearen Fusion basiert). falsch sein – siehe zum Beispiel „Wissenschaft und Leben“ Nr. 2, 3, 2000). Dennoch findet die Reaktion im Zentrum des Sterns statt, der Stern leuchtet und die entstehende Strahlung hält ihn in einem stabilen Zustand. Doch der nukleare „Brennstoff“ im Stern geht aus. Die Energiefreisetzung hört auf, die Strahlung erlischt und die Kraft, die die Gravitationsanziehung eindämmt, verschwindet. Es gibt eine Grenze für die Masse eines Sterns, ab der der Stern beginnt, irreversibel zu schrumpfen. Berechnungen zeigen, dass dies geschieht, wenn die Masse des Sterns zwei bis drei Sonnenmassen überschreitet.

GRAVITATIONSKOLLAPS

Die Kontraktionsrate des Sterns ist zunächst gering, nimmt aber kontinuierlich zu, da die Schwerkraft umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist. Die Kompression wird irreversibel; es gibt keine Kräfte, die der Eigengravitation entgegenwirken könnten. Dieser Vorgang wird Gravitationskollaps genannt. Die Geschwindigkeit der Bewegung der Sternhülle in Richtung ihres Zentrums nimmt zu und nähert sich der Lichtgeschwindigkeit. Und hier beginnen die Auswirkungen der Relativitätstheorie eine Rolle zu spielen.

Die Fluchtgeschwindigkeit wurde basierend auf Newtons Vorstellungen über die Natur des Lichts berechnet. Aus Sicht der Allgemeinen Relativitätstheorie laufen Phänomene in der Umgebung eines kollabierenden Sterns etwas anders ab. In seinem starken Gravitationsfeld kommt es zu einer sogenannten Gravitationsrotverschiebung. Dies bedeutet, dass die Frequenz der Strahlung, die von einem massiven Objekt ausgeht, zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben wird. Im Grenzfall, an der Grenze der Schwarzschild-Kugel, wird die Strahlungsfrequenz Null. Das heißt, ein außerhalb befindlicher Beobachter kann nichts über das Geschehen im Inneren herausfinden. Deshalb wird die Schwarzschild-Sphäre als Ereignishorizont bezeichnet.

Aber eine Verringerung der Frequenz bedeutet eine Verlangsamung der Zeit, und wenn die Frequenz Null wird, bleibt die Zeit stehen. Dies bedeutet, dass ein außenstehender Beobachter ein sehr seltsames Bild sieht: Die Hülle eines Sterns, die mit zunehmender Beschleunigung fällt, bleibt stehen, anstatt die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Aus seiner Sicht wird die Kompression aufhören, sobald sich die Größe des Sterns der Gravitation nähert
usu. Er wird niemals auch nur ein einziges Teilchen unter der Schwarzschiel-Kugel „tauchen“ sehen. Aber für einen hypothetischen Beobachter, der in ein Schwarzes Loch fällt, wird in wenigen Augenblicken unter seiner Beobachtung alles vorbei sein. Somit beträgt die Zeit für den Gravitationskollaps eines Sterns von der Größe der Sonne 29 Minuten, während ein viel dichterer und kompakterer Neutronenstern nur 1/20.000 Sekunde benötigt. Und hier steht er vor Problemen im Zusammenhang mit der Geometrie der Raumzeit in der Nähe eines Schwarzen Lochs.

Der Betrachter befindet sich in einem gekrümmten Raum. In der Nähe des Gravitationsradius werden die Gravitationskräfte unendlich groß; Sie spannen die Rakete mit dem Astronauten-Beobachter zu einem unendlich dünnen Faden von unendlicher Länge. Aber er selbst wird das nicht bemerken: Alle seine Verformungen werden den Verzerrungen der Raum-Zeit-Koordinaten entsprechen. Diese Überlegungen beziehen sich natürlich auf einen idealen, hypothetischen Fall. Jeder reale Körper wird durch Gezeitenkräfte auseinandergerissen, lange bevor er sich der Schwarzschild-Sphäre nähert.

ABMESSUNGEN VON SCHWARZEN LÖCHERN

Die Größe eines Schwarzen Lochs, genauer gesagt der Radius der Schwarzschild-Kugel, ist proportional zur Masse des Sterns. Und da die Astrophysik keine Beschränkungen hinsichtlich der Größe eines Sterns vorgibt, kann ein Schwarzes Loch beliebig groß sein. Wenn es beispielsweise beim Zusammenbruch eines Sterns mit einer Masse von 10 8 Sonnenmassen entstanden ist (oder durch die Verschmelzung von Hunderttausenden oder sogar Millionen relativ kleiner Sterne), beträgt sein Radius etwa 300 Millionen Kilometer. doppelt so groß wie die Erdumlaufbahn. Und die durchschnittliche Dichte der Substanz eines solchen Riesen liegt nahe an der Dichte von Wasser.

Offenbar handelt es sich dabei um die Art von Schwarzen Löchern, die man in den Zentren von Galaxien findet. Auf jeden Fall zählen Astronomen heute etwa fünfzig Galaxien, in deren Zentrum sich nach indirekten Beweisen (siehe unten) Schwarze Löcher mit einer Masse von etwa einer Milliarde (10 9) Sonnen befinden. Auch unsere Galaxie hat offenbar ein eigenes Schwarzes Loch; Seine Masse wurde ziemlich genau geschätzt - 2,4. 10 6 ±10 % der Masse der Sonne.

Die Theorie besagt, dass neben solchen Überriesen auch schwarze Minilöcher mit einer Masse von etwa 10 14 g und einem Radius von etwa 10 -12 cm (der Größe eines Atomkerns) entstehen sollten. Sie könnten in den ersten Momenten der Existenz des Universums als Manifestation einer sehr starken Inhomogenität der Raumzeit mit kolossaler Energiedichte erscheinen. Heute erkennen Forscher an leistungsstarken Kollidern (Beschleunigern, die kollidierende Strahlen nutzen) die damaligen Bedingungen im Universum. Experimente am CERN Anfang dieses Jahres erzeugten Quark-Gluon-Plasma, Materie, die vor der Entstehung der Elementarteilchen existierte. Die Erforschung dieses Materiezustands wird am amerikanischen Beschleunigerzentrum Brookhaven fortgesetzt. Es ist in der Lage, Teilchen auf Energien zu beschleunigen, die eineinhalb bis zwei Größenordnungen höher sind als die des Beschleunigers
CERN. Das bevorstehende Experiment gibt Anlass zu großer Sorge: Wird es ein Mini-Schwarzes Loch erzeugen, das unseren Weltraum verbiegt und die Erde zerstört?

Diese Angst hallte so stark wider, dass die US-Regierung gezwungen war, eine maßgebliche Kommission einzuberufen, um diese Möglichkeit zu prüfen. Eine aus prominenten Forschern bestehende Kommission kam zu dem Schluss: Die Energie des Beschleunigers ist zu niedrig, als dass ein Schwarzes Loch entstehen könnte (dieses Experiment wird in der Zeitschrift Science and Life, Nr. 3, 2000, beschrieben).

WIE MAN DAS UNSICHTBARE SEHT

Schwarze Löcher strahlen nichts aus, nicht einmal Licht. Allerdings haben Astronomen gelernt, sie zu sehen bzw. „Kandidaten“ für diese Rolle zu finden. Es gibt drei Möglichkeiten, ein Schwarzes Loch zu entdecken.

1. Es ist notwendig, die Rotation von Sternenhaufen um einen bestimmten Schwerpunkt zu überwachen. Wenn sich herausstellt, dass in diesem Zentrum nichts ist und die Sterne sich um einen leeren Raum zu drehen scheinen, können wir ganz sicher sagen: In dieser „Leere“ befindet sich ein Schwarzes Loch. Auf dieser Grundlage wurde die Anwesenheit eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie angenommen und dessen Masse abgeschätzt.

2. Ein Schwarzes Loch saugt aktiv Materie aus dem umgebenden Raum an. Interstellarer Staub, Gas und Materie von nahen Sternen fallen spiralförmig darauf und bilden eine sogenannte Akkretionsscheibe, ähnlich dem Ring des Saturn. (Genau das ist die Vogelscheuche im Brookhaven-Experiment: Ein im Beschleuniger aufgetauchtes Mini-Schwarzes Loch beginnt, die Erde in sich hineinzusaugen, und dieser Prozess konnte durch keine Kraft gestoppt werden.) Die Annäherung an die Schwarzschild-Kugel erleben die Teilchen Beschleunigung und beginnen im Röntgenbereich zu emittieren. Diese Strahlung hat ein charakteristisches Spektrum, das der gut untersuchten Strahlung von in einem Synchrotron beschleunigten Teilchen ähnelt. Und wenn diese Strahlung aus einer Region des Universums kommt, können wir mit Sicherheit sagen, dass es dort ein Schwarzes Loch geben muss.

3. Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen, entsteht Gravitationsstrahlung. Es wird berechnet, dass, wenn die Masse jedes einzelnen etwa zehn Sonnenmassen beträgt, wenn sie innerhalb weniger Stunden verschmelzen, Energie in Form von Gravitationswellen freigesetzt wird, die 1 % ihrer Gesamtmasse entspricht. Das ist tausendmal mehr als das Licht, die Wärme und andere Energie, die die Sonne während ihrer gesamten Existenz – fünf Milliarden Jahre – ausstrahlte. Sie hoffen, Gravitationsstrahlung mit Hilfe der Gravitationswellenobservatorien LIGO und anderen nachzuweisen, die derzeit in Amerika und Europa unter Beteiligung russischer Forscher gebaut werden (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 5, 2000).

Und doch, obwohl Astronomen keinen Zweifel an der Existenz von Schwarzen Löchern haben, wagt niemand, kategorisch zu behaupten, dass sich genau eines von ihnen an einem bestimmten Punkt im Weltraum befindet. Wissenschaftsethik und die Integrität des Forschers erfordern eine eindeutige Antwort auf die gestellte Frage, die keine Diskrepanzen duldet. Es reicht nicht aus, die Masse eines unsichtbaren Objekts abzuschätzen; Sie müssen seinen Radius messen und nachweisen, dass er den Schwarzschild-Radius nicht überschreitet. Und selbst innerhalb unserer Galaxie ist dieses Problem noch nicht lösbar. Aus diesem Grund legen Wissenschaftler bei der Berichterstattung über ihre Entdeckung eine gewisse Zurückhaltung an den Tag, und wissenschaftliche Fachzeitschriften sind buchstäblich voller Berichte über theoretische Arbeiten und Wirkungsbeobachtungen, die Licht auf ihr Geheimnis werfen können.

Allerdings haben Schwarze Löcher noch eine weitere theoretisch vorhergesagte Eigenschaft, die es ermöglichen könnte, sie zu sehen. Allerdings unter einer Bedingung: Die Masse des Schwarzen Lochs sollte deutlich geringer sein als die Masse der Sonne.

EIN SCHWARZES LOCH KANN AUCH „WEISS“ SEIN

Schwarze Löcher galten lange Zeit als Verkörperung der Dunkelheit, Objekte, die im Vakuum ohne Absorption von Materie nichts aussenden. Allerdings zeigte der berühmte englische Theoretiker Stephen Hawking 1974, dass Schwarzen Löchern eine Temperatur zugeordnet werden kann und sie daher strahlen sollten.

Nach den Konzepten der Quantenmechanik ist Vakuum keine Leere, sondern eine Art „Schaum der Raumzeit“, eine Mischung aus virtuellen (in unserer Welt nicht beobachtbaren) Teilchen. Quantenenergiefluktuationen können jedoch ein Teilchen-Antiteilchen-Paar aus dem Vakuum „ausstoßen“. Beispielsweise entstehen bei der Kollision zweier oder dreier Gammaquanten ein Elektron und ein Positron wie aus dem Nichts. Dieses und ähnliche Phänomene wurden in Laboren immer wieder beobachtet.

Es sind Quantenfluktuationen, die die Strahlungsprozesse von Schwarzen Löchern bestimmen. Wenn ein Teilchenpaar mit Energien E Und -E(die Gesamtenergie des Paares ist Null) in der Nähe der Schwarzschild-Kugel auftritt, wird das weitere Schicksal der Teilchen unterschiedlich sein. Sie können fast sofort vernichten oder gemeinsam unter den Ereignishorizont fallen. In diesem Fall ändert sich der Zustand des Schwarzen Lochs nicht. Geht aber nur ein Teilchen unter den Horizont, registriert der Beobachter ein anderes und es kommt ihm so vor, als sei es von einem Schwarzen Loch erzeugt worden. Gleichzeitig ein Schwarzes Loch, das ein Teilchen mit Energie absorbierte -E, wird Ihre Energie reduzieren, und zwar mit Energie E- wird steigen.

Hawking berechnete die Geschwindigkeiten, mit denen all diese Prozesse ablaufen, und kam zu dem Schluss: Die Wahrscheinlichkeit der Absorption von Teilchen mit negativer Energie ist höher. Das bedeutet, dass das Schwarze Loch Energie und Masse verliert – es verdampft. Darüber hinaus strahlt es als völlig schwarzer Körper mit einer Temperatur ab T = 6 . 10 -8 M Mit / M Kelvin, wo M c - Masse der Sonne (2,10 33 g), M- die Masse des Schwarzen Lochs. Diese einfache Beziehung zeigt, dass die Temperatur eines Schwarzen Lochs mit einer sechsfachen Sonnenmasse einem Hundertmillionstel Grad entspricht. Es ist klar, dass ein so kalter Körper praktisch nichts aussendet, und alle oben genannten Überlegungen bleiben gültig. Minilöcher sind eine andere Sache. Es ist leicht zu erkennen, dass sie bei einer Masse von 10 14 -10 30 Gramm auf Zehntausende Grad erhitzt und weißglühend sind! Es sei jedoch gleich darauf hingewiesen, dass es keine Widersprüche zu den Eigenschaften von Schwarzen Löchern gibt: Diese Strahlung wird von einer Schicht über der Schwarzschild-Kugel emittiert und nicht darunter.

Das Schwarze Loch, das wie ein ewig gefrorenes Objekt aussah, verschwindet also früher oder später und verdunstet. Darüber hinaus erhöht sich mit dem „Abnehmen“ die Verdunstungsrate, die jedoch immer noch extrem lange dauert. Es wird geschätzt, dass Minilöcher mit einem Gewicht von 10 14 Gramm, die unmittelbar nach dem Urknall vor 10 bis 15 Milliarden Jahren entstanden, bis zu unserer Zeit vollständig verdampft sein sollten. Im letzten Lebensstadium erreicht ihre Temperatur kolossale Werte, daher müssen die Verdunstungsprodukte Teilchen mit extrem hoher Energie sein. Vielleicht sind sie es, die weitverbreitete Luftschauer in der Erdatmosphäre erzeugen – EAS. In jedem Fall ist die Herkunft von Teilchen mit ungewöhnlich hoher Energie ein weiteres wichtiges und interessantes Problem, das eng mit nicht weniger spannenden Fragen der Physik Schwarzer Löcher verbunden sein kann.

Obwohl Schwarze Löcher als eine der zerstörerischsten Kräfte im Weltraum gelten, können sie laut Forschern auch fortgeschrittene Zivilisationen beherbergen, die unserer ähneln. Basierend auf dieser radikalen Theorie können wir schlussfolgern, dass auch wir in unserem eigenen Schwarzen Loch leben können. Die gleiche Theorie besagt, dass unsere Partikel, wenn wir in das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße fallen, in ein anderes Universum verstreut werden könnten.

Eine Reihe theoretischer Physiker haben dieses Konzept in den letzten Jahren untersucht, allen voran Nikodem Poplavsky von der University of New Haven. Einstein sagte voraus, dass das Zentrum eines Schwarzen Lochs unendlich dicht und klein ist, doch eine Gruppe junger Wissenschaftler argumentiert, dass Unendlichkeit in der Natur normalerweise nicht vorkommt. Sie glauben, dass es stattdessen etwas Kleines, aber Begrenztes in seinem Zentrum geben könnte.

Nach der Theorie von Dr. Poplavsky bildete sich im Zentrum des Urknalls ein „Samen“ in einem Schwarzen Loch. Laut einem von National Geographic veröffentlichten Bericht von Michael Finkel soll der Samen Billionen Mal kleiner sein als alle bisher von Menschen identifizierten Partikel.

Dieses winzige Teilchen war stark genug, um die Produktion jedes anderen Teilchens zu bewirken, aus dem derzeit Galaxien, Sonnensysteme, Planeten und Menschen bestehen. Dr. Poplavsky vermutet, dass dieser Samen aus Schwarzen Löchern stammte – den übermächtigen „Öfen“ des Universums.

Der Wissenschaftler sagt, dass ein Schwarzes Loch eine „Tür“ zwischen zwei Universen sein könnte, allerdings nur in eine Richtung. Er argumentiert, dass, wenn etwas in das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße fällt, es in einem Paralleluniversum landet. Wenn unser Universum aus einem superdichten „Samen“ erschaffen wurde, legt die Theorie nahe, dass wir möglicherweise auch in einem dieser Schwarzen Löcher leben.

Der russische Kosmologe Vyacheslav Dokuchaev argumentiert, dass, wenn Leben in supermassereichen Schwarzen Löchern existieren könnte, sich hier die fortschrittlichsten Zivilisationen der Welt entwickelt hätten. Im Jahr 2011 sagte Professor Dokuchaev vom Moskauer Institut für Kernforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften, dass frühere Daten in Kombination mit neuen Forschungsergebnissen faszinierende Möglichkeiten für bestimmte Arten von Schwarzen Löchern eröffneten.