Para os cientistas modernos, um buraco negro é um dos fenômenos mais misteriosos do nosso universo. O estudo de tais objetos é difícil, não é possível experimentá-los "por experiência". A massa, a densidade da substância de um buraco negro, os processos de formação desse objeto, as dimensões - tudo isso desperta interesse entre os especialistas e às vezes - perplexidade. Vamos considerar o tópico com mais detalhes. Primeiro, vamos analisar o que é tal objeto.
Informações gerais
Uma característica surpreendente de um objeto cósmico é a combinação de um pequeno raio, uma alta densidade de matéria de buraco negro e uma massa incrivelmente grande. Todas as propriedades físicas atualmente conhecidas de tal objeto parecem estranhas aos cientistas, muitas vezes inexplicáveis. Mesmo os astrofísicos mais experientes ainda se surpreendem com as peculiaridades de tais fenômenos. A principal característica que permite aos cientistas identificar um buraco negro é o horizonte de eventos, ou seja, o limite devido ao qualnada volta, incluindo a luz. Se uma zona estiver permanentemente separada, o limite de separação é designado como horizonte de eventos. Com a separação temporária, a presença de um horizonte visível é fixa. Às vezes, temporal é um conceito muito solto, ou seja, a região pode ser separada por um período que excede a idade atual do universo. Se houver um horizonte visível que existe há muito tempo, é difícil distingui-lo do horizonte de eventos.
De muitas maneiras, as propriedades de um buraco negro, a densidade da substância que o forma, são devidas a outras qualidades físicas que operam em nossas leis mundiais. O horizonte de eventos de um buraco negro esfericamente simétrico é uma esfera cujo diâmetro é determinado por sua massa. Quanto mais massa puxada para dentro, maior o buraco. E, no entanto, permanece surpreendentemente pequeno contra o fundo das estrelas, pois a pressão gravitacional comprime tudo dentro. Se imaginarmos um buraco cuja massa corresponde ao nosso planeta, o raio de tal objeto não excederá alguns milímetros, ou seja, será dez bilhões a menos que a Terra. O raio recebeu o nome de Schwarzschild, o cientista que primeiro deduziu os buracos negros como uma solução para a teoria geral da relatividade de Einstein.
E dentro?
Tendo entrado em tal objeto, é improvável que uma pessoa perceba uma enorme densidade em si mesma. As propriedades de um buraco negro não são bem compreendidas para ter certeza do que vai acontecer, mas os cientistas acreditam que nada de especial pode ser revelado ao cruzar o horizonte. Isso é explicado pelo equivalente einsteinianoprincípio que explica por que o campo que forma a curvatura do horizonte e a aceleração inerente ao plano não diferem para o observador. Ao acompanhar o processo de travessia à distância, é possível perceber que o objeto começa a desacelerar próximo ao horizonte, como se o tempo passasse devagar nesse local. Depois de algum tempo, o objeto cruzará o horizonte, cairá no raio de Schwarzschild.
A densidade da matéria em um buraco negro, a massa de um objeto, suas dimensões e forças de maré e o campo gravitacional estão intimamente relacionados. Quanto maior o raio, menor a densidade. O raio aumenta com o peso. As forças de maré são inversamente proporcionais ao quadrado do peso, ou seja, à medida que as dimensões aumentam e a densidade diminui, as forças de maré do objeto diminuem. Será possível superar o horizonte antes de perceber esse fato se a massa do objeto for muito grande. Nos primeiros dias da relatividade geral, acreditava-se que havia uma singularidade no horizonte, mas isso acabou não sendo o caso.
Sobre a densidade
Como os estudos mostraram, a densidade de um buraco negro, dependendo da massa, pode ser maior ou menor. Para objetos diferentes, este indicador varia, mas sempre diminui com o aumento do raio. Podem aparecer buracos supermassivos, que se formam de forma extensa devido ao acúmulo de material. Em média, a densidade desses objetos, cuja massa corresponde à massa total de vários bilhões de luminárias em nosso sistema, é menor que a densidade da água. Às vezes, é comparável ao nível de densidade do gás. A força de maré deste objeto é ativada já depois que o observador cruza o horizonteeventos. O explorador hipotético não seria prejudicado ao se aproximar do horizonte e cairia muitos milhares de quilômetros se encontrasse proteção contra o plasma do disco. Se o observador não olhar para trás, não perceberá que o horizonte foi cruzado e, se virar a cabeça, provavelmente verá raios de luz congelados no horizonte. O tempo para o observador fluirá muito lentamente, ele poderá rastrear eventos próximos ao buraco até o momento da morte - ela ou o Universo.
Para determinar a densidade de um buraco negro supermassivo, você precisa conhecer sua massa. Encontre o valor dessa quantidade e o volume de Schwarzschild inerente ao objeto espacial. Em média, esse indicador, segundo os astrofísicos, é excepcionalmente pequeno. Em uma porcentagem impressionante de casos, é menor que o nível de densidade do ar. O fenômeno é explicado a seguir. O raio de Schwarzschild está diretamente relacionado ao peso, enquanto a densidade está inversamente relacionada ao volume e, portanto, ao raio de Schwarzschild. O volume está diretamente relacionado ao raio ao cubo. A massa aumenta linearmente. Assim, o volume cresce mais rápido que o peso, e a densidade média torna-se menor, quanto maior o raio do objeto em estudo.
Curioso saber
A força de maré inerente a um buraco é um gradiente da força da gravidade, que é bastante grande no horizonte, então mesmo fótons não podem escapar daqui. Ao mesmo tempo, o aumento do parâmetro ocorre de forma bastante suave, o que possibilita ao observador ultrapassar o horizonte sem risco para si mesmo.
Estudos da densidade de um buraco negro emo centro do objeto ainda é relativamente limitado. Os astrofísicos estabeleceram que quanto mais próxima a singularidade central, maior o nível de densidade. O mecanismo de cálculo mencionado anteriormente permite que você tenha uma ideia muito média do que está acontecendo.
Os cientistas têm ideias extremamente limitadas sobre o que está acontecendo no buraco, sua estrutura. Segundo os astrofísicos, a distribuição de densidade em um buraco não é muito significativa para um observador externo, pelo menos no nível atual. Especificação muito mais informativa de gravidade, peso. Quanto maior a massa, mais forte o centro, o horizonte, estão separados um do outro. Existem também tais suposições: logo além do horizonte, a matéria está ausente em princípio, só pode ser detectada nas profundezas do objeto.
Algum número é conhecido?
Os cientistas vêm pensando na densidade de um buraco negro há muito tempo. Alguns estudos foram realizados, tentativas foram feitas para calcular. Aqui está um deles.
A massa solar é 210^30 kg. Um buraco pode se formar no local de um objeto que é várias vezes maior que o Sol. A densidade do buraco mais leve é estimada em uma média de 10^18 kg/m3. Esta é uma ordem de magnitude maior do que a densidade do núcleo de um átomo. Aproximadamente a mesma diferença do nível de densidade médio característico de uma estrela de nêutrons.
É possível a existência de buracos ultraleves, cujas dimensões correspondem a partículas subnucleares. Para tais objetos, o índice de densidade será proibitivamente grande.
Se nosso planeta se tornar um buraco, sua densidade será de aproximadamente 210^30 kg/m3. No entanto, os cientistas não conseguiramrevelar os processos pelos quais nossa casa espacial pode ser transformada em um buraco negro.
Sobre os números com mais detalhes
A densidade do buraco negro no centro da Via Láctea é estimada em 1,1 milhão de kg/m3. A massa deste objeto corresponde a 4 milhões de massas solares. O raio do buraco é estimado em 12 milhões de km. A densidade indicada do buraco negro no centro da Via Láctea dá uma ideia dos parâmetros físicos dos buracos supermassivos.
Se o peso de algum objeto é 10^38 kg, ou seja, é estimado em aproximadamente 100 milhões de sóis, então a densidade de um objeto astronômico corresponderá ao nível de densidade do granito encontrado em nosso planeta.
Entre todos os buracos conhecidos pelos astrofísicos modernos, um dos buracos mais pesados foi encontrado no quasar OJ 287. Seu peso corresponde a 18 bilhões de luminares do nosso sistema. Qual é a densidade de um buraco negro, os cientistas calcularam sem muita dificuldade. O valor acabou sendo muito pequeno. É apenas 60 g/m3. Para comparação: o ar atmosférico do nosso planeta tem uma densidade de 1,29 mg/m3.
De onde vêm os buracos?
Os cientistas não só realizaram pesquisas para determinar a densidade de um buraco negro em comparação com a estrela do nosso sistema ou outros corpos cósmicos, mas também tentaram determinar de onde vêm os buracos, quais são os mecanismos para a formação de tais objetos misteriosos. Agora há uma ideia de quatro maneiras para o aparecimento de buracos. A opção mais compreensível é o colapso de uma estrela. Quando se torna grande, a síntese no núcleo é completada,a pressão desaparece, a matéria cai para o centro de gravidade, então aparece um buraco. À medida que você se aproxima do centro, a densidade aumenta. Mais cedo ou mais tarde, o indicador se torna tão significativo que os objetos externos são incapazes de superar os efeitos da gravidade. A partir deste ponto, um novo buraco aparece. Este tipo é mais comum do que outros e é chamado de buracos de massa solar.
Outro tipo de buraco bastante comum é o supermassivo. Estes são mais frequentemente observados em centros galácticos. A massa do objeto em comparação com o buraco de massa solar descrito acima é bilhões de vezes maior. Os cientistas ainda não estabeleceram os processos de manifestação de tais objetos. Supõe-se que um buraco é formado primeiro de acordo com o mecanismo descrito acima, depois as estrelas vizinhas são absorvidas, o que leva ao crescimento. Isso é possível se a zona da galáxia for densamente povoada. A absorção de matéria ocorre mais rápido do que o esquema acima pode explicar, e os cientistas ainda não conseguem adivinhar como a absorção ocorre.
Suposições e ideias
Um tópico muito difícil para os astrofísicos são os buracos primordiais. Tais, provavelmente, aparecem em qualquer massa. Eles podem se formar em grandes flutuações. Provavelmente, o aparecimento de tais buracos ocorreu no início do Universo. Até agora, os estudos dedicados às qualidades, características (incluindo densidade) dos buracos negros, os processos de sua aparência não nos permitem determinar um modelo que reproduza com precisão o processo de aparecimento de um buraco primário. Os modelos atualmente conhecidos são predominantemente tais que, se fossem implementados na realidade,haveria muitos buracos.
Assuma que o Grande Colisor de Hádrons pode se tornar uma fonte de formação de um buraco, cuja massa corresponde ao bóson de Higgs. Assim, a densidade do buraco negro será muito grande. Se tal teoria for confirmada, pode ser considerada evidência indireta da presença de dimensões extras. No momento, essa conclusão especulativa ainda não foi confirmada.
Radiação de um buraco
A emissão de um buraco é explicada pelos efeitos quânticos da matéria. O espaço é dinâmico, então as partículas aqui são completamente diferentes do que estamos acostumados. Perto do buraco, não só o tempo é distorcido; a compreensão de uma partícula depende muito de quem a observa. Se alguém cai em um buraco, parece-lhe que está mergulhando no vácuo e, para um observador distante, parece uma zona cheia de partículas. O efeito é explicado pelo alongamento do tempo e do espaço. A radiação do buraco foi identificada pela primeira vez por Hawking, cujo nome foi dado ao fenômeno. A radiação tem uma temperatura que é inversamente relacionada à massa. Quanto menor o peso de um objeto astronômico, maior a temperatura (assim como a densidade de um buraco negro). Se o buraco for supermassivo ou tiver uma massa comparável a uma estrela, a temperatura inerente de sua radiação será menor que a do fundo de micro-ondas. Por causa disso, não é possível observá-la.
Esta radiação explica a perda de dados. Este é o nome de um fenômeno térmico, que tem uma qualidade distinta - temperatura. Não há informações sobre os processos de formação de buracos através do estudo, mas um objeto que emite tal radiação simultaneamente perde massa (e, portanto, crescedensidade do buraco negro) é reduzida. O processo não é determinado pela substância a partir da qual o buraco é formado, não depende do que foi sugado posteriormente. Os cientistas não podem dizer o que se tornou a base do buraco. Além disso, estudos mostraram que a radiação é um processo irreversível, ou seja, que simplesmente não pode existir na mecânica quântica. Isso significa que a radiação não pode ser conciliada com a teoria quântica, e a inconsistência requer mais trabalho nessa direção. Embora os cientistas acreditem que a radiação Hawking deva conter informações, ainda não temos os meios, os recursos para detectá-la.
Curioso: sobre estrelas de nêutrons
Se houver uma supergigante, isso não significa que tal corpo astronômico seja eterno. Com o tempo, ele muda, descarta as camadas externas. Anãs brancas podem emergir dos remanescentes. A segunda opção são as estrelas de nêutrons. Processos específicos são determinados pela massa nuclear do corpo primário. Se for estimado dentro de 1,4-3 solar, então a destruição da supergigante é acompanhada por uma pressão muito alta, devido à qual os elétrons são, por assim dizer, pressionados nos prótons. Isso leva à formação de nêutrons, a emissão de neutrinos. Em física, isso é chamado de gás degenerado de nêutrons. Sua pressão é tal que a estrela não pode se contrair mais.
No entanto, como os estudos mostraram, provavelmente nem todas as estrelas de nêutrons apareceram dessa maneira. Alguns deles são remanescentes de grandes que explodiram como uma segunda supernova.
Raio do corpo de Tommenos do que mais massa. Para a maioria, varia entre 10-100 km. Estudos foram realizados para determinar as densidades de buracos negros, estrelas de nêutrons. Para o segundo, como os testes mostraram, o parâmetro é relativamente próximo ao atômico. Figuras específicas definidas por astrofísicos: 10^10 g/cm3.
Curioso saber: teoria e prática
As estrelas de nêutrons foram previstas em teoria nas décadas de 60 e 70 do século passado. Os pulsares foram os primeiros a serem descobertos. Estas são pequenas estrelas, cuja velocidade de rotação é muito alta e o campo magnético é verdadeiramente grandioso. Supõe-se que o pulsar herda esses parâmetros da estrela original. O período de rotação varia de milissegundos a vários segundos. Os primeiros pulsares conhecidos emitiram emissões de rádio periódicas. Hoje, pulsares com radiação de espectro de raios-X, radiação gama são conhecidos.
O processo descrito de formação de estrelas de nêutrons pode continuar - não há nada que possa pará-lo. Se a massa nuclear for superior a três massas solares, então o corpo pontual é muito compacto, é referido como buracos. Não será possível determinar as propriedades de um buraco negro com massa maior que a crítica. Se parte da massa for perdida devido à radiação Hawking, o raio diminuirá simultaneamente, então o valor do peso será novamente menor que o valor crítico para este objeto.
Um buraco pode morrer?
Os cientistas apresentam suposições sobre a existência de processos devido à participação de partículas e antipartículas. A flutuação dos elementos pode fazer com que o espaço vazio seja caracterizadonível de energia zero, que (aqui está um paradoxo!) não será igual a zero. Ao mesmo tempo, o horizonte de eventos inerente ao corpo receberá um espectro de baixa energia inerente ao corpo negro absoluto. Essa radiação causará perda de massa. O horizonte diminuirá um pouco. Suponha que haja dois pares de uma partícula e seu antagonista. Há uma aniquilação de uma partícula de um par e seu antagonista de outro. Como consequência, há fótons que voam para fora do buraco. O segundo par de partículas propostas cai no buraco, absorvendo simultaneamente alguma quantidade de massa, energia. Gradualmente, isso leva à morte do buraco negro.
Como conclusão
De acordo com alguns, um buraco negro é uma espécie de aspirador de pó cósmico. Um buraco pode engolir uma estrela, pode até “comer” uma galáxia. De muitas maneiras, a explicação das qualidades de um buraco, bem como as características de sua formação, podem ser encontradas na teoria da relatividade. Sabe-se dele que o tempo é contínuo, assim como o espaço. Isso explica porque os processos de compressão não podem ser interrompidos, eles são ilimitados e ilimitados.
Estes são esses misteriosos buracos negros, sobre os quais os astrofísicos vêm quebrando a cabeça há mais de uma década.
