Vũ trụ vô biên chứa đầy bí mật, câu đố và nghịch lý. Mặc dù thực tế là khoa học hiện đại đã có một bước tiến vượt bậc trong việc khám phá không gian, nhưng phần lớn trong thế giới rộng lớn này vẫn không thể hiểu được đối với nhận thức của con người về thế giới. Chúng ta biết rất nhiều về các ngôi sao, tinh vân, cụm và các hành tinh. Tuy nhiên, trong sự rộng lớn của vũ trụ có những vật thể như vậy, sự tồn tại mà chúng ta chỉ có thể đoán. Ví dụ, chúng ta biết rất ít về các lỗ đen. Thông tin cơ bản và kiến thức về bản chất của các lỗ đen được xây dựng dựa trên các giả định và phỏng đoán. Các nhà vật lý thiên văn, các nhà khoa học hạt nhân đã phải vật lộn với vấn đề này trong hơn một chục năm. Một lỗ đen trong không gian là gì? Bản chất của các đối tượng như vậy là gì?
Nói về các lỗ đen trong ngôn ngữ đơn giản
Để tưởng tượng một lỗ đen trông như thế nào, nó đủ để thấy đuôi tàu đi vào đường hầm. Đèn tín hiệu trên chiếc xe cuối cùng khi tàu đi sâu vào đường hầm sẽ giảm kích thước cho đến khi chúng biến mất hoàn toàn khỏi tầm nhìn. Nói cách khác, đây là những vật thể, do sức hút khủng khiếp, thậm chí ánh sáng cũng biến mất. Các hạt cơ bản, electron, proton và photon không thể vượt qua rào cản vô hình, chúng rơi xuống vực thẳm đen không tồn tại, do đó một lỗ hổng trong không gian được gọi là màu đen. Không có vùng ánh sáng nhỏ nhất bên trong nó, màu đen và vô cực. Những gì ở phía bên kia của lỗ đen là không rõ.
Máy hút bụi không gian này có lực hấp dẫn rất lớn và có thể hấp thụ cả một thiên hà với tất cả các cụm sao và siêu sao, với tinh vân và vật chất tối để khởi động. Làm thế nào là điều này có thể? Nó vẫn chỉ để đoán. Các định luật vật lý mà chúng ta biết trong trường hợp này bật ra tại các đường nối và không đưa ra lời giải thích cho các quá trình đang diễn ra. Bản chất của nghịch lý là trong phần này của Vũ trụ, sự tương tác hấp dẫn của các cơ thể được xác định bởi khối lượng của chúng. Quá trình hấp thụ bởi một đối tượng khác không bị ảnh hưởng bởi thành phần định tính và định lượng của chúng. Các hạt, đã đạt đến một lượng quan trọng trong một khu vực nhất định, bước vào một mức độ tương tác khác, trong đó các lực hấp dẫn trở thành lực hấp dẫn. Cơ thể, vật thể, chất hoặc vật chất dưới tác động của trọng lực bắt đầu co lại, đạt đến mật độ rất lớn.
Khoảng các quá trình như vậy xảy ra trong quá trình hình thành sao neutron, trong đó vật chất sao dưới tác động của trọng lực bên trong bị nén về thể tích. Các electron tự do kết hợp với các proton để tạo thành các hạt trung hòa điện - neutron. Mật độ của chất này là rất lớn. Một hạt vật chất có kích thước của một miếng đường tinh luyện có trọng lượng hàng tỷ tấn. Ở đây thích hợp để nhớ lại lý thuyết tương đối tổng quát, trong đó không gian và thời gian là các đại lượng liên tục. Do đó, quá trình nén không thể dừng lại giữa chừng và do đó không có giới hạn.
Có khả năng, một lỗ đen trông giống như một lỗ trong đó có thể có sự chuyển đổi từ một phân đoạn không gian này sang một không gian khác. Đồng thời, các thuộc tính của không gian và thời gian tự thay đổi, xoắn lại thành một phễu không gian thời gian. Đạt đến đáy của kênh này, bất kỳ vấn đề rơi vào lượng tử. Phía bên kia của hố đen, cái hố khổng lồ này là gì? Có lẽ tồn tại một không gian khác nơi áp dụng các luật khác và thời gian chảy theo hướng ngược lại.
Trong bối cảnh của lý thuyết tương đối, lý thuyết về lỗ đen như sau. Điểm của không gian, nơi các lực hấp dẫn đã ép bất kỳ vật chất nào đến kích thước siêu nhỏ, có một lực hấp dẫn cực lớn, cường độ của nó tăng lên vô cùng. Một khoảng thời gian xuất hiện và không gian bị uốn cong, đóng lại tại một điểm. Các vật thể được hấp thụ bởi một lỗ đen không thể chống lại lực của máy hút bụi quái dị này. Ngay cả tốc độ ánh sáng, mà lượng tử sở hữu, cũng không cho phép các hạt cơ bản vượt qua lực hút. Bất kỳ cơ quan nào có điểm như vậy đều không còn là đối tượng vật chất, hợp nhất với bong bóng không-thời gian.
Lỗ đen trong khoa học
Nếu bạn hỏi, lỗ đen được hình thành như thế nào? Câu trả lời chắc chắn sẽ không được. Có rất nhiều nghịch lý và mâu thuẫn trong vũ trụ không thể giải thích theo quan điểm của khoa học. Lý thuyết tương đối của Einstein chỉ cho phép giải thích về mặt lý thuyết bản chất của những vật thể như vậy, nhưng trong trường hợp này cơ học lượng tử và vật lý là im lặng.
Cố gắng giải thích các quá trình diễn ra theo định luật vật lý, bức tranh sẽ trông như thế này. Vật thể được hình thành là kết quả của sự co rút hấp dẫn khổng lồ của một cơ thể vũ trụ to lớn hoặc siêu lớn. Quá trình này có một tên khoa học - sụp đổ lực hấp dẫn. Thuật ngữ "lỗ đen" lần đầu tiên xuất hiện trong cộng đồng khoa học vào năm 1968, khi nhà thiên văn học và vật lý học người Mỹ John Wheeler cố gắng giải thích tình trạng sụp đổ của sao. Theo lý thuyết của ông, thay cho một ngôi sao khổng lồ chịu sự sụp đổ của lực hấp dẫn, một sự thất bại về không gian và thời gian phát sinh, trong đó các hành vi nén không ngừng tăng lên. Tất cả những gì ngôi sao được tạo ra đi vào bên trong chính nó.
Giải thích này cho phép chúng tôi kết luận rằng bản chất của các lỗ đen không có cách nào kết nối với các quá trình xảy ra trong Vũ trụ. Mọi thứ xảy ra bên trong vật thể này không phản ánh theo bất kỳ cách nào trên không gian xung quanh với một BẠCH BẠC. Lực hấp dẫn của lỗ đen mạnh đến mức nó bẻ cong không gian, buộc các thiên hà phải xoay quanh các lỗ đen. Theo đó, nó trở nên rõ ràng lý do tại sao các thiên hà có dạng xoắn ốc. Sẽ mất bao lâu để thiên hà Milky Way khổng lồ biến mất vào vực thẳm của một lỗ đen siêu lớn. Một sự thật tò mò là các lỗ đen có thể xảy ra tại bất kỳ điểm nào trong không gian bên ngoài, nơi điều kiện lý tưởng được tạo ra cho việc này. Một khoảng thời gian và không gian như vậy giúp loại bỏ tốc độ khổng lồ mà các ngôi sao xoay và di chuyển trong không gian của thiên hà. Thời gian trong một lỗ đen chảy theo chiều không gian khác. Trong khu vực này, không có định luật hấp dẫn nào có thể giải thích được từ quan điểm vật lý. Trạng thái này được gọi là điểm kỳ dị của lỗ đen.
Các lỗ đen không cho thấy bất kỳ dấu hiệu nhận dạng bên ngoài nào, sự tồn tại của chúng có thể được đánh giá bằng hành vi của các vật thể không gian khác bị ảnh hưởng bởi các trường hấp dẫn. Toàn bộ bức tranh về cuộc đấu tranh sinh tử diễn ra trên biên giới của một lỗ đen, được bao phủ bởi một lớp màng. Bề mặt tưởng tượng của kênh này được gọi là "chân trời sự kiện". Tất cả mọi thứ mà chúng ta thấy đến ranh giới này là hữu hình và vật chất.
Kịch bản hố đen
Phát triển lý thuyết của John Wheeler, chúng ta có thể kết luận rằng bí mật của các lỗ đen nhiều khả năng không nằm trong quá trình hình thành của nó. Sự hình thành của một lỗ đen là kết quả của sự sụp đổ của một ngôi sao neutron. Hơn nữa, khối lượng của một vật thể như vậy phải vượt quá khối lượng của Mặt trời từ ba lần trở lên. Ngôi sao neutron co lại cho đến khi ánh sáng của chính nó không còn có thể thoát ra khỏi vòng tay ôm chặt của trọng lực. Có một giới hạn về kích thước mà một ngôi sao có thể thu nhỏ lại, sinh ra một lỗ đen. Bán kính này được gọi là bán kính hấp dẫn. Những ngôi sao khổng lồ ở giai đoạn phát triển cuối cùng của chúng phải có bán kính hấp dẫn vài km.
Ngày nay, các nhà khoa học đã thu được bằng chứng gián tiếp về sự hiện diện của các lỗ đen trong hàng chục ngôi sao nhị phân tia X. Các ngôi sao tia X, pulsar hoặc burster không có bề mặt rắn. Hơn nữa, khối lượng của chúng lớn hơn khối lượng của ba Mặt trời. Trạng thái hiện tại của không gian bên ngoài trong chòm sao Cygnus - ngôi sao tia X Cygnus X-1, khiến nó có thể theo dõi sự hình thành của những vật thể tò mò này.
Dựa trên các giả định nghiên cứu và lý thuyết, ngày nay trong khoa học có bốn kịch bản cho sự hình thành của các ngôi sao đen:
- sự sụp đổ lực hấp dẫn của một ngôi sao lớn ở giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa của nó;
- sự sụp đổ của khu vực trung tâm của thiên hà;
- sự hình thành các lỗ đen trong quá trình Vụ nổ lớn;
- sự hình thành của các lỗ đen lượng tử.
Kịch bản đầu tiên là thực tế nhất, nhưng số lượng sao đen mà chúng ta quen thuộc ngày nay vượt quá số lượng sao neutron đã biết. Và thời đại của Vũ trụ không quá lớn đến nỗi rất nhiều ngôi sao khổng lồ có thể trải qua toàn bộ quá trình tiến hóa.
Kịch bản thứ hai có quyền sống và có một ví dụ sinh động - lỗ đen siêu lớn Sagittarius A *, nép mình ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Khối lượng của vật thể này là 3,7 khối lượng mặt trời. Cơ chế của kịch bản này tương tự như kịch bản về sự sụp đổ lực hấp dẫn với sự khác biệt duy nhất là một khí liên sao, chứ không phải là một ngôi sao, có thể bị sụp đổ. Dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn, khí được nén đến một khối lượng và mật độ tới hạn. Vào thời điểm quan trọng, vật chất tan rã thành lượng tử, tạo thành một lỗ đen. Tuy nhiên, lý thuyết này rất đáng nghi ngờ, vì gần đây các nhà thiên văn học tại Đại học Columbia đã xác định được vệ tinh lỗ đen vệ tinh A *. Chúng hóa ra là rất nhiều lỗ đen nhỏ, có lẽ được hình thành theo một cách khác.
Kịch bản thứ ba mang tính lý thuyết nhiều hơn và gắn liền với sự tồn tại của lý thuyết Big Bang. Vào thời điểm hình thành vũ trụ, một phần vật chất và trường hấp dẫn trải qua biến động. Nói cách khác, các quá trình đã đi theo một cách khác, không kết nối với các quá trình đã biết của cơ học lượng tử và vật lý hạt nhân.
Kịch bản thứ hai tập trung vào vật lý của vụ nổ hạt nhân. Trong các khối vật chất trong quá trình phản ứng hạt nhân dưới tác động của lực hấp dẫn, một vụ nổ xảy ra, thay vào đó một lỗ đen được hình thành. Vật chất phát nổ vào bên trong, hấp thụ tất cả các hạt.
Sự tồn tại và tiến hóa của hố đen
Có một ý tưởng gần đúng về bản chất của các vật thể không gian kỳ lạ như vậy, một cái gì đó khác là thú vị. Kích thước thật của lỗ đen là gì, chúng phát triển nhanh như thế nào? Kích thước của các lỗ đen được xác định bởi bán kính hấp dẫn của chúng. Đối với các lỗ đen, bán kính của lỗ đen được xác định bởi khối lượng của nó và được gọi là bán kính Schwarzschild. Ví dụ: nếu một vật thể có khối lượng bằng khối lượng của hành tinh chúng ta, thì bán kính Schwarzschild trong trường hợp này là 9 mm. Cơ thể chính của chúng tôi có bán kính 3 km. Mật độ trung bình của một lỗ đen hình thành ở vị trí của một ngôi sao có khối lượng 10⁸ khối lượng Mặt trời sẽ gần với mật độ của nước. Bán kính của giáo dục như vậy sẽ là 300 triệu km.
Có khả năng các lỗ đen khổng lồ như vậy nằm ở trung tâm của các thiên hà. Đến nay, 50 thiên hà được biết đến, ở trung tâm là những giếng không gian và tạm thời khổng lồ. Khối lượng của những người khổng lồ như vậy là hàng tỷ khối lượng của Mặt trời. Người ta chỉ có thể tưởng tượng những gì một lực hấp dẫn khổng lồ và quái dị có một lỗ như vậy.
Đối với các lỗ nhỏ, đây là những vật thể nhỏ có bán kính đạt giá trị không đáng kể, chỉ 10 ¹ ² cm. Khối lượng của một mảnh vụn như vậy là 10 gr. Sự hình thành như vậy phát sinh vào thời điểm Vụ nổ lớn, tuy nhiên theo thời gian chúng tăng kích thước và ngày nay phô trương mình ngoài vũ trụ như những con quái vật. Các điều kiện theo đó hình thành các lỗ đen nhỏ diễn ra, các nhà khoa học ngày nay đang cố gắng tái tạo trong điều kiện trên mặt đất. Đối với các mục đích này, các thí nghiệm được thực hiện trong máy va chạm electron, qua đó các hạt cơ bản được gia tốc tới tốc độ ánh sáng. Các thí nghiệm đầu tiên cho phép thu được trong điều kiện phòng thí nghiệm một plasma quark-gluon - vật chất, tồn tại vào buổi bình minh của sự hình thành Vũ trụ. Những thí nghiệm như vậy cho thấy một lỗ đen trên Trái đất là vấn đề thời gian. Một điều nữa là liệu một thành tựu khoa học của con người như vậy sẽ biến thành thảm họa cho chúng ta và cho hành tinh của chúng ta. Bằng cách tạo ra một lỗ đen nhân tạo, chúng ta có thể mở hộp Pandora Pandora.
Các quan sát gần đây về các thiên hà khác đã cho phép các nhà khoa học khám phá ra các lỗ đen, kích thước của nó vượt quá mọi kỳ vọng và giả định có thể tưởng tượng được. Sự tiến hóa xảy ra với các vật thể như vậy cho phép chúng ta hiểu rõ hơn về khối lượng của các lỗ đen phát triển như thế nào, giới hạn thực sự của nó là gì. Các nhà khoa học đã kết luận rằng tất cả các lỗ đen được biết đến đã phát triển đến kích thước thật của chúng trong vòng 13-14 tỷ năm. Sự khác biệt về kích thước là do mật độ của không gian xung quanh. Nếu một lỗ đen có đủ thức ăn trong tầm với của trọng lực, nó sẽ phát triển như men, đạt tới khối lượng hàng trăm và hàng ngàn khối lượng mặt trời. Do đó kích thước khổng lồ của các vật thể như vậy nằm ở trung tâm của các thiên hà. Một cụm sao khổng lồ, khối lượng lớn khí liên sao là thức ăn dồi dào cho sự phát triển. Khi các thiên hà hợp nhất, các lỗ đen có thể hợp nhất với nhau, tạo thành một vật thể siêu lớn mới.
Đánh giá bằng cách phân tích các quá trình tiến hóa, người ta thường phân biệt hai loại lỗ đen:
- vật có khối lượng gấp 10 lần khối lượng mặt trời;
- những vật thể khổng lồ, khối lượng trong đó là hàng trăm ngàn, hàng tỷ khối lượng mặt trời.
Có những lỗ đen với khối lượng trung bình trung bình gấp 100-10 nghìn lần khối lượng Mặt trời, nhưng bản chất của chúng vẫn chưa được biết đến. Có khoảng một đối tượng như vậy trên mỗi thiên hà. Nghiên cứu về các ngôi sao tia X cho phép tìm thấy hai lỗ đen cỡ trung bình cùng một lúc ở khoảng cách 12 triệu năm ánh sáng trong thiên hà M82. Khối lượng của một vật thể khác nhau trong phạm vi 200-800 khối lượng mặt trời. Một vật thể khác lớn hơn nhiều và có khối lượng 10 - 40 nghìn khối lượng mặt trời. Số phận của những đồ vật như vậy thật thú vị. Chúng nằm gần các cụm sao, dần dần thu hút mình vào một lỗ đen siêu lớn nằm ở phần trung tâm của thiên hà.
Hành tinh của chúng ta và các lỗ đen
Bất chấp việc tìm kiếm manh mối về bản chất của hố đen, thế giới khoa học vẫn quan tâm đến vị trí và vai trò của lỗ đen trong số phận của thiên hà Milky Way và đặc biệt là số phận của hành tinh Trái đất. Nếp gấp của thời gian và không gian tồn tại ở trung tâm Dải Ngân hà dần dần hấp thụ tất cả các vật thể tồn tại xung quanh. Hàng triệu ngôi sao và hàng nghìn tỷ tấn khí liên sao đã được hấp thụ vào lỗ đen. Theo thời gian, dòng sẽ đến vòng tay của Cygnus và Nhân Mã, trong đó hệ Mặt trời được đặt, đã đi được quãng đường 27 nghìn năm ánh sáng.
Một lỗ đen siêu lớn khác gần đó nằm ở phần trung tâm của thiên hà Andromeda. Nó cách chúng ta khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng. Có lẽ, cho đến khi đối tượng Sagittarius A * của chúng ta nuốt chửng thiên hà của chính mình, chúng ta nên mong đợi sự hợp nhất của hai thiên hà lân cận. Theo đó, việc hợp nhất hai hố đen siêu lớn thành một tổng thể, có kích thước khủng khiếp và quái dị, sẽ xảy ra.
Một điều hoàn toàn khác - lỗ đen nhỏ. Để hấp thụ hành tinh Trái đất là một lỗ đen với bán kính vài cm. Vấn đề là, về bản chất, một lỗ đen là một vật thể hoàn toàn vô danh. Không có bức xạ hoặc bức xạ nào phát ra từ tử cung của nó, do đó khá khó để nhận ra một vật thể bí ẩn như vậy. Chỉ ở cự ly gần, chúng ta mới có thể phát hiện độ cong của ánh sáng nền, điều này cho thấy có một lỗ hổng trong không gian trong khu vực này của Vũ trụ.
Đến nay, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng lỗ đen gần Trái đất nhất là vật thể Monocerotis V616. Con quái vật nằm cách hệ thống của chúng tôi 3000 năm ánh sáng. Về kích thước, đây là một đội hình lớn, khối lượng của nó là 9-13 khối lượng mặt trời. Một vật thể gần gũi khác đe dọa thế giới của chúng ta là hố đen Gygnus X-1. Với con quái vật này, chúng ta cách nhau khoảng 6000 năm ánh sáng. Các lỗ đen được phát hiện trong khu phố của chúng tôi là một phần của hệ thống nhị phân, tức là tồn tại gần với ngôi sao nuôi sống vật thể vô độ.
Kết luận
Sự tồn tại trong không gian của những vật thể bí ẩn và bí ẩn như hố đen, tất nhiên, buộc chúng ta phải ở trên người canh gác. Tuy nhiên, mọi thứ xảy ra với các lỗ đen xảy ra khá hiếm khi xảy ra, nếu chúng ta tính đến tuổi của Vũ trụ và khoảng cách rất lớn. Trong 4,5 tỷ năm, Hệ mặt trời ở trong trạng thái nghỉ ngơi, tồn tại theo luật pháp được biết đến với chúng ta. Trong thời gian này, không có gì thuộc loại này xuất hiện, cũng như không gian bị biến dạng hoặc các nếp gấp của thời gian gần hệ mặt trời. Có lẽ không có điều kiện thích hợp cho việc này. Đó là một phần của Dải Ngân hà, nơi có hệ thống sao của Mặt trời, là một phần không gian yên tĩnh và ổn định.
Các nhà khoa học cho rằng ý tưởng rằng sự xuất hiện của các lỗ đen không phải là ngẫu nhiên. Những vật thể như vậy thực hiện trong Vũ trụ vai trò của các trật tự phá hủy sự dư thừa của các cơ thể vũ trụ. Về số phận của những con quái vật, sự tiến hóa của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Существует версия, что черные дыры не вечны и на определенном этапе могут прекратить свое существование. Уже ни для кого не секрет, что такие объекты представляют собой мощнейшие источники энергии. Какая это энергия и в чем она измеряется - это другое дело.
Стараниями Стивена Хокинга науке была предъявлена теория о то, что черная дыра все-таки излучает энергию, теряя свою массу. В своих предположениях ученый руководствовался теорией относительности, где все процессы взаимосвязаны друг с другом. Ничего просто так не исчезает, не появившись в другом месте. Любая материя может трансформироваться в другую субстанцию, при этом один вид энергии переходит на другой энергетический уровень. Так, может быть, обстоит дело и с черными дырами, которые являются переходным порталом, из одного состояния в другое.
