Musta augu tekkeks on vaja keha kokku suruda teatud kriitilise tiheduseni nii, et kokkusurutud keha raadius oleks võrdne selle gravitatsiooniraadiusega. Selle kriitilise tiheduse väärtus on pöördvõrdeline musta augu massi ruuduga.
Tüüpilise tähemassi musta augu jaoks ( M=10M Päike) gravitatsiooniraadius on 30 km ja kriitiline tihedus on 2·10 14 g/cm 3 ehk kakssada miljonit tonni kuupsentimeetri kohta. See tihedus on võrreldes Maa keskmise tihedusega (5,5 g/cm3) väga suur, see on võrdne aatomituuma aine tihedusega.
Musta augu jaoks galaktika tuumas ( M=10 10 M päike) gravitatsiooniraadius on 3·10 15 cm = 200 AU, mis on viiekordne kaugus Päikesest Pluutoni (1 astronoomiline ühik – keskmine kaugus Maast Päikeseni – võrdub 150 miljoni km ehk 1,5·10 13 cm). Kriitiline tihedus on sel juhul 0,2·10 –3 g/cm 3 , mis on mitu korda väiksem õhu tihedusest, võrdne 1,3·10 –3 g/cm 3 (!).
Maa jaoks ( M=3·10 –6 M päike), gravitatsiooniraadius on 9 mm lähedal ja vastav kriitiline tihedus on koletult suur: ρ cr = 2·10 27 g/cm 3, mis on 13 suurusjärku suurem kui aatomituuma tihedus.
Kui võtta mingi kujuteldav sfääriline pressi ja suruda Maa kokku, säilitades selle massi, siis kui me vähendame Maa raadiust (6370 km) neli korda, siis selle teine põgenemiskiirus kahekordistub ja võrdub 22,4 km/s. Kui surume Maa kokku nii, et selle raadius on ligikaudu 9 mm, saab teine kosmiline kiirus valguse kiirusega võrdse väärtuse c= 300 000 km/s.
Lisaks pole pressi vaja - sellisele suurusele kokkusurutud Maa surub end juba kokku. Lõpuks tekib Maa asemele must auk, mille sündmuste horisondi raadius on ligi 9 mm (kui jätta tähelepanuta tekkinud musta augu pöörlemine). Reaalsetes tingimustes ülivõimsat ajakirjandust muidugi pole - gravitatsioon “töötab”. Seetõttu võivad mustad augud tekkida ainult siis, kui väga massiivsete tähtede sisemus variseb kokku ja gravitatsioon on piisavalt tugev, et suruda aine kriitilise tiheduseni.
Tähtede evolutsioon
Mustad augud tekivad massiivsete tähtede evolutsiooni lõppfaasis. Tavaliste tähtede sügavustes toimuvad termotuumareaktsioonid, eraldub tohutult energiat ja hoitakse kõrget temperatuuri (kümneid ja sadu miljoneid kraadi). Gravitatsioonijõud kipuvad tähte kokku suruma ning kuuma gaasi ja kiirguse survejõud peavad sellele kokkusurumisele vastu. Seetõttu on täht hüdrostaatilises tasakaalus.
Lisaks võib täht eksisteerida termilises tasakaalus, kui tema keskpunktis toimuvate termotuumareaktsioonide tõttu vabanev energia on täpselt võrdne tähe poolt pinnalt kiirgava võimsusega. Kui täht tõmbub kokku ja paisub, rikutakse termilist tasakaalu. Kui täht on paigal, siis on tema tasakaal seatud nii, et tähe negatiivne potentsiaalne energia (gravitatsioonilise kokkusurumise energia) absoluutväärtuses on alati kaks korda suurem soojusenergiast. Seetõttu on tähel hämmastav omadus - negatiivne soojusmahtuvus. Tavalistel kehadel on positiivne soojusmahtuvus: kuumutatud rauatükk jahtudes, see tähendab kaotades energiat, alandab oma temperatuuri. Tähe puhul on asi vastupidi: mida rohkem energiat ta kiirguse näol kaotab, seda kõrgemaks muutub temperatuur tema keskpunktis.
Sellel esmapilgul kummalisel omadusel on lihtne seletus: kiirgades täht tõmbub aeglaselt kokku. Kokkusurumisel muundatakse potentsiaalne energia tähe langevate kihtide kineetiliseks energiaks ja selle sisemus kuumeneb. Pealegi on tähe poolt kokkusurumisel omandatud soojusenergia kaks korda suurem kui kiirguse kujul kaotatud energia. Selle tulemusena tõuseb tähe sisemuse temperatuur ja toimub pidev keemiliste elementide termotuumasüntees. Näiteks vesiniku heeliumiks muutmise reaktsioon praeguses Päikeses toimub temperatuuril 15 miljonit kraadi. Kui 4 miljardi aasta pärast muutub kogu vesinik Päikese keskmes heeliumiks, nõuab süsinikuaatomite edasine süntees heeliumiaatomitest palju kõrgemat temperatuuri, umbes 100 miljonit kraadi (heeliumi tuumade elektrilaeng on kaks korda suurem vesiniku tuumadest ja tuumade lähendamiseks heeliumiga 10–13 cm kaugusel on vaja palju kõrgemat temperatuuri). Just see temperatuur on Päikese negatiivse soojusmahtuvuse tõttu tagatud ajaks, mil heeliumi süsinikuks muundamise termotuumareaktsioon selle sügavustes süttib.
Valged kääbused
Kui tähe mass on väike, nii et selle tuuma mass, mida mõjutavad termotuumamuutused, on väiksem kui 1,4 M päike, keemiliste elementide termotuumasüntees võib tähe tuumas elektrongaasi nn degenereerumise tõttu katkeda. Eelkõige sõltub degenereerunud gaasi rõhk tihedusest, kuid ei sõltu temperatuurist, kuna elektronide kvantliikumise energia on palju suurem kui nende soojusliikumise energia.
Degenereerunud elektrongaasi kõrge rõhk neutraliseerib tõhusalt gravitatsioonilise kokkusurumise jõude. Kuna rõhk ei sõltu temperatuurist, ei põhjusta tähe energiakadu kiirguse kujul selle tuuma kokkusurumist. Järelikult ei eraldu gravitatsioonienergia täiendava soojusena. Seetõttu temperatuur arenevas degenereerunud tuumas ei tõuse, mis toob kaasa termotuumareaktsioonide ahela katkemise.
Välimine vesiniku kest, mida termotuumareaktsioonid ei mõjuta, eraldub tähe tuumast ja moodustab planetaarse udukogu, mis helendab vesiniku, heeliumi ja muude elementide emissioonijoontes. Arenenud väikese massiga tähe keskne kompaktne ja suhteliselt kuum tuum on valge kääbus – objekt, mille raadius on suurusjärgus Maa raadius (~10 4 km), mille mass on alla 1,4. M päike ja keskmine tihedus umbes tonn kuupsentimeetri kohta. Valgeid kääbusi täheldatakse suurel hulgal. Nende koguarv Galaktikas ulatub 10 10-ni, see tähendab umbes 10% Galaktika vaadeldava aine kogumassist.
Termotuumapõlemine degenereerunud valges kääbuses võib olla ebastabiilne ja põhjustada piisavalt massiivse valge kääbuse tuumaplahvatuse, mille mass on lähedane nn Chandrasekhari piirile (1,4). M päike). Sellised plahvatused näevad välja nagu I tüüpi supernoovad, mille spektris pole vesiniku jooni, vaid ainult heeliumi, süsiniku, hapniku ja muude raskete elementide read.
Neutronitähed
Kui tähe tuum on degenereerunud, siis kui selle mass läheneb piirile 1,4 M päike, asendub elektrongaasi tavaline degeneratsioon tuumas nn relativistliku degeneratsiooniga.
Degenereerunud elektronide kvantliikumine muutub nii kiireks, et nende kiirus läheneb valguse kiirusele. Sel juhul väheneb gaasi elastsus, väheneb selle võime raskusjõududele vastu seista ja täht kogeb gravitatsioonilist kollapsi. Kokkuvarisemise ajal püüavad prootonid elektronid kinni ja toimub aine neutroniseerimine. See viib massiivsest degenereerunud tuumast neutrontähe moodustumiseni.
Kui tähe tuuma algmass ületab 1,4 M päike, siis saavutatakse südamikus kõrge temperatuur ja elektronide degeneratsiooni ei toimu kogu selle evolutsiooni vältel. Sel juhul toimib negatiivne soojusmahtuvus: kuna täht kaotab kiirguse näol energiat, tõuseb temperatuur tema sügavustes ning toimub pidev termotuumareaktsioonide ahel, mis muudab vesiniku heeliumiks, heeliumi süsinikuks, süsinikku hapnikuks ja nii edasi, kuni rauarühma elementideni. Rauast raskemate elementide tuumade termotuumasünteesi reaktsioon ei toimu enam mitte vabanemisega, vaid energia neeldumisega. Seega, kui peamiselt rauast rühma elementidest koosneva tähe tuuma mass ületab Chandrasekhari piiri 1,4 M päike , kuid vähem kui nn Oppenheimeri-Volkovi piir ~3 M päike, siis tähe tuumaarengu lõpus toimub tuuma gravitatsiooniline kollaps, mille tulemusena eraldub tähe välimine vesiniku kest, mida vaadeldakse II tüüpi supernoova plahvatusena, spektris milliseid võimsaid vesinikujooni täheldatakse.
Raudsüdamiku kokkuvarisemine viib neutrontähe moodustumiseni.
Kui evolutsiooni hilisesse staadiumisse jõudnud tähe massiivne tuum surutakse kokku, tõuseb temperatuur hiiglaslike väärtusteni, mis on suurusjärgus miljard kraadi, kui aatomituumad hakkavad lagunema neutroniteks ja prootoniteks. Prootonid neelavad elektrone ja muutuvad neutroniteks, kiirgades neutriinosid. Kvantmehaanilise Pauli põhimõtte kohaselt hakkavad tugeva kokkusurumisega neutronid üksteist tõhusalt tõrjuma.
Kui kokkuvariseva südamiku mass on väiksem kui 3 M päike, neutronite kiirused on oluliselt väiksemad kui valguse kiirus ja aine elastsus tänu neutronite tõhusale tõrjumisele võib tasakaalustada gravitatsioonijõude ja viia stabiilse neutrontähe tekkeni.
Neutrontähtede olemasolu ennustas esmakordselt 1932. aastal silmapaistev nõukogude füüsik Landau vahetult pärast neutroni avastamist laborikatsete käigus. Neutrontähe raadius on ligi 10 km, keskmine tihedus on sadu miljoneid tonne kuupsentimeetri kohta.
Kui kokkuvariseva tähetuuma mass on suurem kui 3 M päike, siis vastavalt olemasolevatele ideedele variseb tekkinud neutrontäht jahtudes kokku mustaks auguks. Neutrontähe kokkuvarisemist mustaks auguks soodustab ka supernoova plahvatuse käigus paiskunud tähe kesta osa vastupidine kukkumine.
Neutronitäht pöörleb tavaliselt kiiresti, kuna selle sünnitanud tavalisel tähel võib olla märkimisväärne nurkimment. Kui tähe tuum variseb neutrontäheks, vähenevad tähe iseloomulikud mõõtmed alates R= 10 5 –10 6 km kuni R≈ 10 km. Kui tähe suurus väheneb, väheneb selle inertsimoment. Nurkmomendi säilitamiseks peab aksiaalpöörde kiirus järsult suurenema. Näiteks kui Päike, mis pöörleb umbes kuuajalise perioodiga, surutakse kokku neutrontähe suuruseks, väheneb pöörlemisperiood 10–3 sekundini.
Tugeva magnetväljaga üksikud neutrontähed avalduvad raadiopulsaritena - rangelt perioodiliste raadiokiirguse impulsside allikatena, mis tekivad siis, kui neutrontähe kiire pöörlemise energia muundatakse suunatud raadiokiirguseks. Binaarsetes süsteemides ilmutavad akretneeruvad neutrontähed röntgenpulsari ja 1. tüüpi röntgenkiirte purske nähtust.
Mustalt augult ei saa oodata rangelt perioodilisi kiirguse pulsatsioone, kuna mustal augul pole vaadeldavat pinda ega magnetvälja. Nagu füüsikud sageli ütlevad, ei ole mustadel aukudel “karva” - kõik sündmuste horisondi lähedal asuvad väljad ja ebahomogeensused eralduvad, kui must auk moodustub kokkuvarisevast ainest gravitatsioonilainete voona. Selle tulemusena on tekkinud mustal augul ainult kolm omadust: mass, nurkimment ja elektrilaeng. Musta augu tekkimisel ununevad kõik laguneva aine üksikud omadused: näiteks rauast ja veest tekkinud mustadel aukudel on muul juhul samad omadused.
Üldrelatiivsusteooria (GR) prognoosi kohaselt on tähed, mille raua tuuma mass evolutsiooni lõpus ületab 3 M päike, kogege piiramatut kokkusurumist (relativistlik kollaps) koos musta augu moodustumisega. Seda seletatakse asjaoluga, et üldrelatiivsusteoorias määravad tähte kokku suruma kalduvad gravitatsioonijõud energiatihedusega ning sellise massiivse tähe tuuma kokkusurumisel saavutatud tohutute ainetiheduste juures on peamine panus energiatihedusesse. Seda ei tee enam osakeste puhkeenergia, vaid nende liikumise ja vastasmõju energia. Selgub, et üldrelatiivsusteoorias näib aine rõhk väga suure tiheduse juures end “kaaluvat”: mida suurem on rõhk, seda suurem on energiatihedus ja sellest tulenevalt ka seda suuremad gravitatsioonijõud, mis kipuvad ainet kokku suruma. Lisaks muutuvad tugevate gravitatsiooniväljade korral põhimõtteliselt oluliseks aegruumi kõveruse mõju, mis aitab kaasa ka tähe tuuma piiramatule kokkusurumisele ja selle muutumisele mustaks auguks (joonis 3).
Kokkuvõtteks märgime, et meie ajastul tekkinud mustad augud (näiteks Cygnus X-1 süsteemi must auk) ei ole rangelt võttes sada protsenti mustad augud, kuna kauge vaatleja jaoks relativistliku aja dilatatsiooni tõttu nende sündmuste horisont pole ikka veel välja kujunenud. Selliste kokkuvarisevate tähtede pinnad tunduvad Maal vaatlejale külmunud, lähenedes lõputult nende sündmuste horisontidele.
Selleks, et sellistest kokkuvarisevatest objektidest mustad augud lõpuks moodustuksid, peame ootama kogu meie universumi eksisteerimise lõputult pika aja. Tuleb aga rõhutada, et juba relativistliku kollapsi esimestel sekunditel läheneb Maalt vaatleja jaoks variseva tähe pind sündmuste horisondile väga lähedale ning kõik protsessid sellel pinnal aeglustuvad lõpmatult.
Kas olete kunagi näinud põrandat tolmuimejaga? Kui jah, siis kas olete märganud, kuidas tolmuimeja imeb endasse tolmu ja väikseid prahti nagu paberijääke? Muidugi nad märkasid. Mustad augud teevad peaaegu sama asja nagu tolmuimeja, kuid tolmu asemel eelistavad nad endasse imeda suuremaid objekte: tähti ja planeete. Kuid nad ei põlga ka kosmilist tolmu.
Kuidas mustad augud tekivad?
Et mõista, kust mustad augud tulevad, oleks tore teada, mis on kerge surve. Selgub, et objektidele langev valgus avaldab neile survet. Näiteks kui süütame pimedas ruumis lambipirni, siis hakkab kõigile valgustatud objektidele mõjuma täiendav kerge survejõud. See jõud on väga väike ja igapäevaelus ei saa me seda muidugi kunagi tunda. Põhjus on selles, et lambipirn on väga nõrk valgusallikas. (Laboritingimustes saab veel mõõta lambipirni valgusrõhku, esimesena tegi seda vene füüsik P. N. Lebedev.) Tähtede puhul on olukord teine. Sel ajal kui täht on noor ja särab eredalt, võitlevad selle sees kolm jõudu. Ühest küljest tõmbab gravitatsioonijõud, mis kipub tähte punktiks kokku suruma, välimisi kihte tuuma suunas sissepoole. Teisest küljest on olemas kerge rõhu jõud ja kuuma gaasi survejõud, mis kipuvad tähe paisuma. Tähe tuumas tekkiv valgus on nii intensiivne, et tõukab eemale tähe välimised kihid ja tasakaalustab neid keskpunkti poole tõmbava gravitatsioonijõu. Tähe vananedes toodab selle tuum üha vähem valgust. See juhtub seetõttu, et tähe eluea jooksul põleb kogu selle vesinikuvaru läbi, oleme sellest juba kirjutanud. Kui täht on väga suur, Päikesest 20 korda raskem, siis on selle väliskestad massilt väga suured. Seetõttu hakkavad raskes tähes välimised kihid tuumale üha lähemale liikuma ja kogu täht hakkab kokku tõmbuma. Samal ajal suureneb gravitatsioonijõud kokkutõmbuva tähe pinnale. Mida rohkem täht kokku tõmbub, seda tugevamalt hakkab ta ümbritsevat ainet ligi tõmbama. Lõpuks muutub tähe gravitatsioon nii koletult tugevaks, et isegi selle kiirgav valgus ei pääse välja. Sel hetkel muutub täht mustaks auguks. See ei kiirga enam midagi, vaid neelab ainult kõike, mis on läheduses, sealhulgas valgust. Sellest ei tule ainsatki valguskiirt, nii et keegi ei näe seda ja sellepärast nimetatakse seda mustaks auguks: kõik imetakse sisse ega tule enam tagasi.
Kuidas must auk välja näeb?
Kui teie ja mina oleksime musta augu kõrval, näeksime üsna suurt helendavat ketast, mis pöörleb ümber väikese, täiesti musta ruumipiirkonna. See must piirkond on must auk. Ja seda ümbritsev helendav ketas on musta auku langev aine. Sellist ketast nimetatakse akretsioonikettaks. Musta augu gravitatsioon on väga tugev, seetõttu liigub sisse imetud aine väga suure kiirendusega ja hakkab seetõttu kiirgama. Uurides selliselt kettalt tulevat valgust, saavad astronoomid musta augu enda kohta palju teada. Teine kaudne märk musta augu olemasolust on tähtede ebatavaline liikumine teatud ruumipiirkonna ümber. Augu gravitatsioon sunnib lähedalasuvaid tähti liikuma elliptilistel orbiitidel. Selliseid tähtede liikumisi registreerivad ka astronoomid.
Nüüd on teadlaste tähelepanu keskendunud meie galaktika keskmes asuvale mustale augule. Fakt on see, et mustale augule läheneb vesinikupilv, mille mass on umbes 3 korda suurem kui Maa mass. See pilv on musta augu gravitatsiooni tõttu juba oma kuju muutma hakanud, lähiaastatel venib see veelgi ja tõmmatakse musta augu sisse.
Me ei saa kunagi näha musta augu sees toimuvaid protsesse, seega saame rahulduda ainult musta augu ümbritseva ketta vaatlemisega. Kuid ka siin ootab meid palju huvitavat. Võib-olla on kõige huvitavam nähtus selle ketta keskelt välja pääsevate ülikiirete ainejugade teke. Selle nähtuse mehhanismi tuleb veel selgitada ja on täiesti võimalik, et keegi teist loob teooria selliste joade tekkeks. Praegu saame registreerida ainult selliste "võtetega" kaasnevaid röntgenikiirgusid.
See video näitab, kuidas must auk püüab järk-järgult materjali lähedalasuvast tähest. Sel juhul moodustub musta augu ümber akretsiooniketas, mille ainest paiskub tohutu kiirusega kosmosesse. See tekitab suurel hulgal röntgenikiirgust, mille kogub Maa ümber liikuv satelliit.
Kuidas must auk töötab?
Musta augu võib jagada kolmeks põhiosaks. Välimine osa, milles on väga suure kiirusega liikumisel siiski võimalik vältida musta auku kukkumist. Välisosast sügavamal on sündmuste horisont – see on kujuteldav piir, mille ületamisel kaotab keha igasuguse lootuse mustast august naasta. Kõike, mis jääb sündmuste horisondi taha, väljastpoolt näha ei saa, sest tugeva gravitatsiooni tõttu ei suuda isegi seestpoolt liikuv valgus sellest kaugemale lennata. Arvatakse, et musta augu keskmes on singulaarsus - väikese mahuga ruumipiirkond, kuhu on koondunud tohutu mass - musta augu süda.
Kas musta auku on võimalik lennata?
Suurel kaugusel on musta augu külgetõmbejõud täpselt sama, mis tavalise tähe külgetõmme, mille mass on sama suur kui must auk. Sündmuste horisondile lähenedes muutub atraktsioon aina tugevamaks. Seetõttu võite lennata musta auguni, kuid parem on sellest eemale hoida, et saaksite tagasi pöörduda. Astronoomid pidid jälgima, kuidas must auk imes endasse lähedalasuva tähe. Kuidas see välja nägi, näete sellest videost:
Kas meie Päike muutub mustaks auguks?
Ei, see ei pöördu. Päikese mass on selleks liiga väike. Arvutused näitavad, et mustaks auguks saamiseks peab täht olema Päikesest vähemalt 4 korda massiivsem. Selle asemel muutub Päike punaseks hiiglaseks ja paisub umbes Maa orbiidi suuruseks, enne kui heidab oma väliskesta ja muutub valgeks kääbuseks. Kindlasti räägime teile Päikese evolutsioonist lähemalt.
Kõigist inimkonnale teadaolevatest avakosmoses asuvatest objektidest jätavad mustad augud kõige jubedama ja arusaamatuima mulje. See tunne haarab mustade aukude mainimisel peaaegu iga inimest, hoolimata sellest, et inimkond on neist teadnud juba üle pooleteise sajandi. Esimesed teadmised nende nähtuste kohta saadi ammu enne Einsteini relatiivsusteooria publikatsioone. Kuid tegelik kinnitus nende objektide olemasolu kohta saadi mitte nii kaua aega tagasi.
Muidugi on mustad augud õigusega kuulsad oma kummaliste füüsiliste omaduste poolest, mis tekitavad universumis veelgi rohkem saladusi. Nad vaidlustavad kergesti kõik kosmilised füüsika ja kosmilise mehaanika seadused. Sellise nähtuse kui kosmilise augu olemasolu üksikasjade ja põhimõtete mõistmiseks peame end kurssi viima astronoomia kaasaegsete saavutustega ja kasutama oma kujutlusvõimet. Kosmiliste aukude mõistmise ja nendega tutvumise hõlbustamiseks on portaali sait koostanud palju huvitavat teavet nende universumi nähtuste kohta.
Mustade aukude omadused portaali saidilt
Esiteks tuleb tähele panna, et mustad augud ei teki tühjast kohast, need on tekkinud tähtedest, mis on oma suuruse ja massiga hiiglaslikud. Pealegi on iga musta augu suurim omadus ja unikaalsus see, et neil on väga tugev gravitatsiooniline tõmbejõud. Objektide tõmbejõud musta augu külge ületab teise põgenemiskiiruse. Sellised gravitatsiooninäitajad näitavad, et isegi valguskiired ei pääse musta augu toimeväljast välja, kuna neil on palju väiksem kiirus.
Atraktsiooni eripära on see, et see tõmbab ligi kõik objektid, mis on vahetus läheduses. Mida suurem on objekt, mis musta augu lähedusest möödub, seda rohkem mõju ja külgetõmmet see saab. Sellest lähtuvalt võime järeldada, et mida suurem objekt, seda tugevamini must auk teda tõmbab ja sellise mõju vältimiseks peavad kosmilise keha liikumiskiirused olema väga suured.
Samuti on ohutu märkida, et kogu universumis pole ühtegi keha, mis võiks vältida musta augu ligitõmbamist, kui see satub selle vahetusse lähedusse, sest isegi kõige kiirem valgusvoog ei pääse sellest mõjust. Einsteini välja töötatud relatiivsusteooria sobib suurepäraselt mustade aukude omaduste mõistmiseks. Selle teooria kohaselt võib gravitatsioon mõjutada aega ja moonutada ruumi. Samuti öeldakse, et mida suurem objekt kosmoses asub, seda rohkem aeglustab see aega. Musta augu enda läheduses tundub aeg täielikult peatuvat. Kui kosmoseaparaat peaks sisenema kosmoseaugu tegevusväljale, oleks võimalik jälgida, kuidas see lähenedes aeglustub ja lõpuks kaob.
Te ei tohiks liiga palju karta selliseid nähtusi nagu mustad augud ja uskuda kogu ebateaduslikku teavet, mis praegu eksisteerib. Kõigepealt tuleb kummutada levinum müüt, et mustad augud võivad endasse imeda kogu aine ja esemed enda ümber ning seda tehes kasvavad ja neelavad endasse aina rohkem. Ükski neist pole täiesti tõsi. Jah, tõepoolest, nad suudavad absorbeerida kosmilisi kehasid ja ainet, kuid ainult neid, mis on august endast teatud kaugusel. Peale võimsa gravitatsiooni ei erine nad palju tavalistest hiiglasliku massiga tähtedest. Isegi kui meie Päike muutub mustaks auguks, suudab see imeda vaid lühikese vahemaa kaugusel asuvaid objekte ja kõik planeedid jäävad pöörlema oma tavapärastel orbiitidel.
Pöördudes relatiivsusteooria poole, võime järeldada, et kõik tugeva gravitatsiooniga objektid võivad mõjutada aja ja ruumi kõverust. Lisaks, mida suurem on kehamass, seda tugevam on moonutus. Nii said teadlased seda üsna hiljuti praktikas näha, kui nad võisid mõtiskleda muude objektide üle, mis oleksid pidanud olema meie silmadele kättesaamatud tohutute kosmiliste kehade, näiteks galaktikate või mustade aukude tõttu. Kõik see on võimalik tänu sellele, et lähedalt mustast august või muust kehast läbivad valguskiired painduvad gravitatsiooni mõjul väga tugevalt. Seda tüüpi moonutused võimaldavad teadlastel vaadata palju kaugemale kosmosesse. Kuid selliste uuringute abil on uuritava keha tegelikku asukohta väga raske kindlaks teha.
Mustad augud ei teki tühjalt, need tekivad ülimassiivsete tähtede plahvatusel. Veelgi enam, musta augu tekkeks peab plahvatanud tähe mass olema vähemalt kümme korda suurem Päikese massist. Iga täht eksisteerib tänu termotuumareaktsioonidele, mis toimuvad tähe sees. Sel juhul eraldub termotuumasünteesi käigus vesinikusulam, kuid see ei saa lahkuda tähe toimepiirkonnast, kuna selle gravitatsioon tõmbab vesiniku tagasi. Kogu see protsess võimaldab tähtedel eksisteerida. Vesiniku süntees ja tähe gravitatsioon on üsna hästi töötavad mehhanismid, kuid selle tasakaalu rikkumine võib viia tähe plahvatuseni. Enamasti on selle põhjuseks tuumkütuse ammendumine.
Sõltuvalt tähe massist on nende plahvatusejärgseks arenguks võimalikud mitmed stsenaariumid. Nii moodustavad massiivsed tähed supernoova plahvatuse välja ja enamik neist jääb endise tähe tuuma taha, kutsuvad astronaudid selliseid objekte valgeteks kääbusteks. Enamasti tekib nende kehade ümber gaasipilv, mida hoiab paigal kääbuse gravitatsioon. Võimalik on ka teine supermassiivsete tähtede arenemise tee, mille käigus tekkiv must auk tõmbab väga tugevalt kogu tähe aine enda keskele, mis toob kaasa selle tugeva kokkusurumise.
Selliseid kokkusurutud kehasid nimetatakse neutrontähtedeks. Kõige harvematel juhtudel, pärast tähe plahvatust, on meie aktsepteeritud arusaamas sellest nähtusest võimalik musta augu teke. Kuid selleks, et auk tekiks, peab tähe mass olema lihtsalt hiiglaslik. Sel juhul, kui tuumareaktsioonide tasakaal on häiritud, läheb tähe gravitatsioon lihtsalt hulluks. Samal ajal hakkab see aktiivselt kokku kukkuma, misjärel muutub see ainult ruumipunktiks. Teisisõnu võime öelda, et täht kui füüsiline objekt lakkab olemast. Vaatamata sellele, et see kaob, tekib selle taha sama gravitatsiooni ja massiga must auk.
Just tähtede kokkuvarisemine viib selleni, et need kaovad täielikult ja nende asemele tekib must auk, millel on samad füüsikalised omadused nagu kadunud tähel. Ainus erinevus on augu suurem kokkusurumisaste kui tähe maht. Kõigi mustade aukude kõige olulisem omadus on nende singulaarsus, mis määrab selle keskpunkti. See ala eirab kõiki füüsika-, mateeria- ja ruumiseadusi, mis lakkavad olemast. Singulaarsuse mõiste mõistmiseks võime öelda, et see on barjäär, mida nimetatakse kosmiliste sündmuste horisondiks. See on ka musta augu välispiir. Singulaarsust võib nimetada tagasipöördumise punktiks, kuna just seal hakkab toimima augu hiiglaslik gravitatsioonijõud. Isegi valgus, mis seda barjääri ületab, ei suuda välja pääseda.
Sündmuste horisont mõjub nii ahvatlevalt, et tõmbab kõik kehad ligi valguse kiirusel, kui lähened mustale augule endale, suurenevad kiirusnäitajad veelgi. Seetõttu on kõik objektid, mis jäävad selle jõu ulatusse, määratud auku imemisele. Tuleb märkida, et sellised jõud on võimelised muutma sellise külgetõmbe mõjul tabatud keha, misjärel nad venivad õhukeseks nööriks ja lakkavad seejärel ruumis täielikult eksisteerimast.
Vahemaa sündmuste horisondi ja singulaarsuse vahel võib varieeruda, seda ruumi nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks. Sellepärast, mida suurem on musta augu suurus, seda suurem on tegevusulatus. Näiteks võime öelda, et musta augu, mis oli sama massiivne kui meie Päike, Schwarzschildi raadius oleks kolm kilomeetrit. Sellest tulenevalt on suurtel mustadel aukudel suurem ulatus.
Mustade aukude leidmine on üsna keeruline protsess, kuna valgus ei pääse neist välja. Seetõttu põhinevad otsing ja määratlus ainult kaudsetel tõenditel nende olemasolu kohta. Lihtsaim meetod, mida teadlased nende leidmiseks kasutavad, on nende otsimine, leides kohti pimedas ruumis, kui neil on suur mass. Enamasti õnnestub astronoomidel leida musti auke kaksiktähesüsteemidest või galaktikate keskpunktidest.
Enamik astronoome kaldub uskuma, et meie galaktika keskmes on ka ülivõimas must auk. See väide tekitab küsimuse, kas see auk suudab alla neelata kõik meie galaktikas? Tegelikkuses on see võimatu, kuna augul endal on sama mass kui tähtedel, kuna see on loodud tähest. Pealegi ei ennusta kõik teadlaste arvutused selle objektiga seotud globaalseid sündmusi. Veelgi enam, veel miljardeid aastaid pöörlevad meie galaktika kosmilised kehad vaikselt ümber selle musta augu ilma igasuguste muutusteta. Tõendeid Linnutee keskel oleva augu olemasolust saab teadlaste registreeritud röntgenlainete põhjal. Ja enamik astronoome kaldub uskuma, et mustad augud kiirgavad neid aktiivselt tohututes kogustes.
Üsna sageli on meie galaktikas kahest tähest koosnevad tähesüsteemid ja sageli võib üks neist muutuda mustaks auguks. Selles versioonis neelab must auk kõik oma teel olevad kehad, samal ajal kui aine hakkab selle ümber pöörlema, mille tõttu moodustub nn kiirendusketas. Eripäraks on see, et see suurendab pöörlemiskiirust ja liigub keskele lähemale. Just musta augu keskele langev aine kiirgab röntgenikiirgust ja aine ise hävib.
Kahendtähtede süsteemid on musta augu staatuse esimesed kandidaadid. Sellistes süsteemides on kõige lihtsam leida must auk tänu nähtava tähe ruumalale, on võimalik arvutada selle nähtamatu venna näitajad. Praegu võib kõige esimene musta augu staatuse kandidaat olla Cygnuse tähtkujust pärit täht, mis kiirgab aktiivselt röntgenikiirgust.
Kõigest eelnevast mustade aukude kohta järeldades võib öelda, et need pole muidugi nii ohtlikud nähtused, lähiläheduse korral on nad gravitatsioonijõu mõjul kõige võimsamad objektid avakosmoses. Seetõttu võime öelda, et nad ei erine eriti teistest kehadest, nende peamine omadus on tugev gravitatsiooniväli.
Mustade aukude eesmärgi kohta on välja pakutud tohutul hulgal teooriaid, millest mõned olid isegi absurdsed. Nii uskusid teadlased ühe neist sõnul, et mustad augud võivad sünnitada uusi galaktikaid. See teooria põhineb tõsiasjal, et meie maailm on elu tekkeks küllaltki soodne koht, kuid kui üks tegurist muutub, oleks elu võimatu. Seetõttu võib mustade aukude füüsikaliste omaduste muutuste singulaarsus ja iseärasused tekitada täiesti uue universumi, mis erineb oluliselt meie omast. Kuid see on ainult teooria ja üsna nõrk teooria, kuna puuduvad tõendid mustade aukude sellise mõju kohta.
Mis puutub mustadesse aukudesse, siis need mitte ainult ei suuda ainet absorbeerida, vaid võivad ka aurustuda. Sarnane nähtus leidis kinnitust mitu aastakümmet tagasi. Selle aurustumise tõttu võib must auk kaotada kogu oma massi ja seejärel täielikult kaduda.
Kõik see on väikseim teave mustade aukude kohta, mida saate portaali veebisaidilt teada saada. Meil on ka tohutult palju huvitavat infot teiste kosmiliste nähtuste kohta.
Musta augu mõiste on kõigile teada – koolilastest eakateni, seda kasutatakse teadus- ja ilukirjanduses, kollases meedias ja teaduskonverentsidel. Kuid mis täpselt sellised augud on, pole kõigile teada.
Mustade aukude ajaloost
1783 Esimese hüpoteesi sellise nähtuse nagu must auk olemasolu kohta esitas 1783. aastal inglise teadlane John Michell. Oma teoorias ühendas ta kaks Newtoni loomingut – optika ja mehaanika. Michelli idee oli järgmine: kui valgus on pisikeste osakeste voog, siis nagu kõik teised kehad, peaksid ka osakesed kogema gravitatsioonivälja külgetõmmet. Selgub, et mida massiivsem on täht, seda raskem on valgusel oma külgetõmbejõule vastu seista. 13 aastat pärast Michelli esitas prantsuse astronoom ja matemaatik Laplace (tõenäoliselt sõltumatult oma Briti kolleegist) sarnase teooria.
1915. aastal Kõik nende tööd jäid aga kuni 20. sajandi alguseni välja nõudmata. 1915. aastal avaldas Albert Einstein üldise relatiivsusteooria ja näitas, et gravitatsioon on aine poolt põhjustatud aegruumi kõverus ning mõni kuu hiljem kasutas Saksa astronoom ja teoreetiline füüsik Karl Schwarzschild seda konkreetse astronoomilise probleemi lahendamiseks. Ta uuris kõvera aegruumi struktuuri Päikese ümber ja avastas uuesti mustade aukude fenomeni.
(John Wheeler lõi termini "mustad augud")
1967. aastal Ameerika füüsik John Wheeler visandas ruumi, mida saab nagu paberitükki kortsuda lõpmatult väikeseks punktiks, ja nimetas selle terminiga "must auk".
1974. aastal Briti füüsik Stephen Hawking tõestas, et kuigi mustad augud neelavad ainet tagasipöördumata, võivad nad kiirata kiirgust ja lõpuks aurustuda. Seda nähtust nimetatakse "Hawkingi kiirguseks".
2013. aasta Viimased pulsarite ja kvasarite uurimused ning kosmilise mikrolaine taustkiirguse avastamine on lõpuks võimaldanud kirjeldada mustade aukude kontseptsiooni. 2013. aastal jõudis gaasipilv G2 mustale augule väga lähedale ja suure tõenäosusega neeldub selles, ainulaadse protsessi jälgimine annab tohutult võimalusi uuteks mustade aukude tunnuste avastamiseks.
(Massiivne objekt Sagittarius A*, mille mass on 4 miljonit korda suurem kui Päikesel, mis viitab tähtede parvele ja musta augu tekkele)
2017. aasta. Rühm mitut riiki hõlmava koostööprojekti Event Horizon Telescope teadlasi, mis ühendasid kaheksat Maa mandrite eri punktidest pärit teleskoopi, jälgisid musta auku, mis on ülimassiivne objekt galaktikas M87, Neitsi tähtkujus. Objekti mass on 6,5 miljardit (!) Päikese massi, mis on võrdluseks hiiglaslikult kordades suurem kui massiivne objekt Ambur A*, läbimõõduga veidi väiksem kui kaugus Päikesest Pluutoni.
Vaatlused viidi läbi mitmes etapis, alates 2017. aasta kevadest ja kogu 2018. aasta perioodide jooksul. Teabe maht ulatus petabaitidesse, mis tuli seejärel dekrüpteerida ja saada ehtne pilt ülikaugest objektist. Seetõttu kulus veel tervelt kaks aastat, et kõik andmed põhjalikult läbi töödelda ja üheks tervikuks liita.
2019 Andmed dekrüpteeriti edukalt ja kuvati, saades kõigi aegade esimese musta augu kujutise.
(Esimene pilt mustast august M87 galaktikas Neitsi tähtkujus)
Pildi eraldusvõime võimaldab näha objekti keskel tagasipöördumispunkti varju. Pilt saadi ülipika baasjoone interferomeetriliste vaatluste tulemusena. Need on ühe objekti nn sünkroonsed vaatlused mitmest võrguga ühendatud raadioteleskoobist, mis asuvad maakera eri paigus ja mis on suunatud samas suunas.
Mis mustad augud tegelikult on
Nähtuse lakooniline seletus käib nii.
Kõik teavad, et kosmoses leidub tähti, planeete, asteroide ja komeete, mida saab jälgida palja silmaga või läbi teleskoobi. Samuti on teada, et on olemas spetsiaalsed kosmoseobjektid – mustad augud.Must auk on aegruumi piirkond, mille gravitatsiooniline külgetõmme on nii tugev, et ükski objekt, sealhulgas valguskvant, ei saa sealt lahkuda.
Must auk oli kunagi massiivne täht. Kuni termotuumareaktsioonid säilitavad selle sügavustes kõrge rõhu, jääb kõik normaalseks. Kuid aja jooksul on energiavarud ammendunud ja taevakeha hakkab oma gravitatsiooni mõjul kahanema. Selle protsessi viimane etapp on tähe tuuma kokkuvarisemine ja musta augu teke.
- 1. Must auk paiskab suurel kiirusel välja joa
- 2. Aineketas kasvab mustaks auguks
- 3. Must auk
- 4. Musta augu piirkonna üksikasjalik skeem
- 5. Leitud uute vaatluste suurus
Kõige levinum teooria on see, et sarnased nähtused eksisteerivad igas galaktikas, sealhulgas meie Linnutee keskuses. Augu tohutu gravitatsioonijõud on võimeline enda ümber hoidma mitut galaktikat, takistades neil üksteisest eemaldumast. "Katvusala" võib olla erinev, kõik sõltub mustaks auguks muutunud tähe massist ja võib olla tuhandeid valgusaastaid.
Schwarzschildi raadius
Musta augu peamine omadus on see, et sinna sattunud aine ei saa kunagi tagasi pöörduda. Sama kehtib ka valguse kohta. Oma tuumas on augud kehad, mis neelavad täielikult kogu neile langeva valguse ega kiirga oma valgust. Sellised objektid võivad visuaalselt paista absoluutse pimeduse klombidena.
- 1. Aine liigub poole valguse kiirusega
- 2. Footonrõngas
- 3. Sisemine footonrõngas
- 4. Sündmuste horisont mustas augus
Lähtudes Einsteini üldisest relatiivsusteooriast, kui keha läheneb kriitilisele kaugusele augu keskpunktist, ei saa ta enam tagasi pöörduda. Seda kaugust nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks. Mis selles raadiuses täpselt toimub, pole täpselt teada, kuid kõige levinum teooria on olemas. Arvatakse, et kogu musta augu aine on koondunud lõpmata väikesesse punkti ja selle keskel on lõpmatu tihedusega objekt, mida teadlased nimetavad ainsuse häiringuks.
Kuidas juhtub musta auku kukkumine?
(Pildil näeb must auk Sagittarius A* välja kui ülihea valguskobar)
Mitte nii kaua aega tagasi, 2011. aastal, avastasid teadlased gaasipilve, andes sellele lihtsa nime G2, mis kiirgab ebatavalist valgust. See kuma võib olla tingitud gaasi ja tolmu hõõrdumisest, mille põhjustab Sagittarius A* must auk, mis tiirleb selle ümber akretsioonikettana. Nii saame me vaatlejaks imelisele nähtusele, milleks on gaasipilve neeldumine ülimassiivse musta augu poolt.
Hiljutiste uuringute kohaselt toimub mustale augule lähim lähenemine 2014. aasta märtsis. Saame taasluua pildi sellest, kuidas see põnev vaatemäng aset leiab.
- 1. Esimest korda andmetesse ilmudes meenutab gaasipilv tohutut gaasi- ja tolmupalli.
- 2. Nüüd, 2013. aasta juuni seisuga, on pilv mustast august kümnete miljardite kilomeetrite kaugusel. See kukub sinna sisse kiirusega 2500 km/s.
- 3. Eeldatakse, et pilv möödub mustast august, kuid pilve esi- ja tagaservadele mõjuvate raskusjõu erinevusest tingitud tõusulainete mõjul muutub see üha piklikumaks.
- 4. Pärast pilve rebenemist voolab suurem osa sellest suure tõenäosusega Ambur A* ümber asuvasse akretsioonikettasse, tekitades selles lööklaineid. Temperatuur tõuseb mitme miljoni kraadini.
- 5. Osa pilvest kukub otse musta auku. Keegi ei tea täpselt, mis selle ainega järgmiseks juhtub, kuid eeldatakse, et kukkudes kiirgab see võimsaid röntgenikiirte voogusid ja seda ei näe enam kunagi.
Video: must auk neelab gaasipilve
(Arvutisimulatsioon selle kohta, kui suure osa G2 gaasipilvest hävitab ja tarbib must auk Sagittarius A*)
Mis on musta augu sees
On olemas teooria, mis väidab, et must auk on seest praktiliselt tühi ja kogu selle mass on koondunud uskumatult väikesesse punkti, mis asub selle kõige keskel - singulaarsuses.
Teise pool sajandit eksisteerinud teooria järgi läheb kõik, mis musta auku kukub, teise universumisse, mis asub mustas augus endas. Nüüd pole see teooria peamine.
Ja on veel kolmas, moodsaim ja sitkeim teooria, mille kohaselt kõik, mis musta auku kukub, lahustub selle pinnal, mis on määratud sündmuste horisondiks, olevate nööride vibratsioonis.
Mis on siis sündmuste horisont? Musta augu sisse on võimatu vaadata isegi ülivõimsa teleskoobiga, sest isegi hiiglaslikku kosmilisse lehtrisse siseneval valgusel pole võimalust tagasi tulla. Selle vahetus läheduses asub kõik, mida saab vähemalt kuidagi arvestada.
Sündmushorisont on tavapärane pinnajoon, mille alt ei pääse miski (ei gaas, tolm, tähed ega valgus). Ja see on väga salapärane punkt, kust universumi mustades aukudes enam tagasi pole.
Täht võib oma eluea lõpul muutuda mustaks auguks. Selle teisenemise ajal tõmbub täht väga tugevalt kokku, kuid selle mass säilib. Täht muutub väikeseks, kuid väga raskeks palliks. Kui eeldame, et meie planeet Maa muutub mustaks auguks, on selle läbimõõt selles olekus vaid 9 millimeetrit. Kuid Maa ei saa muutuda mustaks auguks, sest planeetide tuumas toimuvad täiesti erinevad reaktsioonid, mitte samad, mis tähtedes.
Tähe selline tugev kokkusurumine ja tihenemine tekib seetõttu, et tähe keskpunktis toimuvate termotuumareaktsioonide mõjul suureneb selle tõmbejõud tugevasti ja hakkab tähe pinda oma keskmesse tõmbama. Järk-järgult suureneb tähe kokkutõmbumiskiirus ja hakkab lõpuks ületama valguse kiirust. Kui täht sellesse olekusse jõuab, lõpetab ta hõõgumise, sest valguse osakesed – kvantid – ei suuda gravitatsioonijõudu ületada. Selles olekus olev täht lõpetab valguse kiirgamise, see jääb gravitatsiooniraadiuse sisse - piiriks, mille sees kõik objektid tähe pinnale tõmbavad. Astronoomid nimetavad seda piiri sündmuste horisondiks. Ja väljaspool seda piiri musta augu gravitatsioonijõud väheneb. Kuna valgusosakesed ei suuda ületada tähe gravitatsioonipiiri, saab musta auku tuvastada vaid instrumentide abil, näiteks kui teadmata põhjustel hakkab kosmoselaev või mõni muu keha – komeet või asteroid – oma trajektoori muutma, tähendab see, et suure tõenäosusega sattus see musta augu gravitatsioonijõudude mõju alla. Kontrollitav kosmoseobjekt peab sellises olukorras kiiresti sisse lülitama kõik mootorid ja lahkuma ohtlikust raskustsoonist ning kui jõudu napib, neelab selle paratamatult must auk.
Kui Päike saaks muutuda mustaks auguks, jääksid Päikesesüsteemi planeedid Päikese gravitatsiooniraadiusesse ning see tõmbaks neid ligi ja neelaks. Meie õnneks seda ei juhtu, sest... Ainult väga suured massiivsed tähed võivad muutuda mustaks auguks. Päike on selleks liiga väike. Päikesest saab evolutsiooni käigus suure tõenäosusega väljasurnud must kääbus. Teised juba kosmoses eksisteerivad mustad augud ei ole meie planeedile ja maapealsetele kosmoselaevadele ohtlikud – need on meist liiga kaugel.
Populaarses telesarjas "Suure paugu teooria", mida saate vaadata, ei saa te teada universumi loomise saladustest ega kosmoses mustade aukude tekkimise põhjustest. Peategelased on kirglikud teaduse ja töö vastu ülikooli füüsikaosakonnas. Nad satuvad pidevalt erinevatesse naeruväärsetesse olukordadesse, mida on tore jälgida.
