Pour les scientifiques modernes, un trou noir est l'un des phénomènes les plus mystérieux de notre univers. L'étude de tels objets est difficile, il n'est pas possible de les essayer "par expérience". La masse, la densité de la substance d'un trou noir, les processus de formation de cet objet, les dimensions - tout cela suscite l'intérêt des spécialistes, et parfois - la perplexité. Considérons le sujet plus en détail. D'abord, analysons ce qu'est un tel objet.
Informations générales
Une caractéristique étonnante d'un objet cosmique est la combinaison d'un petit rayon, d'une haute densité de matière de trou noir et d'une masse incroyablement grande. Toutes les propriétés physiques actuellement connues d'un tel objet paraissent étranges aux scientifiques, souvent inexplicables. Même les astrophysiciens les plus expérimentés sont encore étonnés des particularités de tels phénomènes. La caractéristique principale qui permet aux scientifiques d'identifier un trou noir est l'horizon des événements, c'est-à-dire la limite à cause de laquellerien ne revient, y compris la lumière. Si une zone est séparée en permanence, la limite de séparation est désignée comme horizon des événements. Avec une séparation temporaire, la présence d'un horizon visible est fixe. Parfois, le temporel est un concept très vague, c'est-à-dire que la région peut être séparée pendant une période dépassant l'âge actuel de l'univers. S'il existe un horizon visible qui existe depuis longtemps, il est difficile de le distinguer de l'horizon des événements.
À bien des égards, les propriétés d'un trou noir, la densité de la substance qui le forme, sont dues à d'autres qualités physiques qui opèrent dans nos lois mondiales. L'horizon des événements d'un trou noir à symétrie sphérique est une sphère dont le diamètre est déterminé par sa masse. Plus la masse est attirée vers l'intérieur, plus le trou est grand. Et pourtant, il reste étonnamment petit sur fond d'étoiles, car la pression gravitationnelle comprime tout à l'intérieur. Si nous imaginons un trou dont la masse correspond à notre planète, alors le rayon d'un tel objet ne dépassera pas quelques millimètres, c'est-à-dire qu'il sera dix milliards de moins que la terre. Le rayon a été nommé d'après Schwarzschild, le scientifique qui a d'abord déduit les trous noirs comme une solution à la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Et dedans ?
Ayant pénétré dans un tel objet, il est peu probable qu'une personne remarque une énorme densité sur elle-même. Les propriétés d'un trou noir ne sont pas bien comprises pour être sûr de ce qui va se passer, mais les scientifiques pensent que rien de spécial ne peut être révélé en traversant l'horizon. Ceci s'explique par l'équivalent einsteinienprincipe qui explique pourquoi le champ qui forme la courbure de l'horizon et l'accélération inhérente au plan ne diffèrent pas pour l'observateur. Lorsque vous suivez le processus de traversée à distance, vous pouvez voir que l'objet commence à ralentir près de l'horizon, comme si le temps passait lentement à cet endroit. Après un certain temps, l'objet traversera l'horizon, tombera dans le rayon de Schwarzschild.
La densité de matière dans un trou noir, la masse d'un objet, ses dimensions et forces de marée, et le champ gravitationnel sont étroitement liés. Plus le rayon est grand, plus la densité est faible. Le rayon augmente avec le poids. Les forces de marée sont inversement proportionnelles au poids au carré, c'est-à-dire que lorsque les dimensions augmentent et que la densité diminue, les forces de marée de l'objet diminuent. Il sera possible de dépasser l'horizon avant de s'en apercevoir si la masse de l'objet est très importante. Au début de la relativité générale, on croyait qu'il y avait une singularité à l'horizon, mais cela s'est avéré ne pas être le cas.
À propos de la densité
Comme des études l'ont montré, la densité d'un trou noir, en fonction de sa masse, peut être plus ou moins importante. Pour différents objets, cet indicateur varie, mais diminue toujours avec l'augmentation du rayon. Des trous supermassifs peuvent apparaître, qui se forment de manière extensive en raison de l'accumulation de matière. En moyenne, la densité de tels objets, dont la masse correspond à la masse totale de plusieurs milliards de luminaires de notre système, est inférieure à la densité de l'eau. Parfois, il est comparable au niveau de densité de gaz. La force de marée de cet objet est déjà activée après que l'observateur a traversé l'horizonévénements. L'explorateur hypothétique ne serait pas blessé alors qu'il s'approchait de l'horizon et chuterait de plusieurs milliers de kilomètres s'il trouvait une protection contre le plasma du disque. Si l'observateur ne se retourne pas, il ne remarquera pas que l'horizon a été franchi, et s'il tourne la tête, il verra probablement des rayons lumineux figés à l'horizon. Le temps pour l'observateur s'écoulera très lentement, il pourra suivre les événements près du trou jusqu'au moment de la mort - soit elle, soit l'Univers.
Pour déterminer la densité d'un trou noir supermassif, vous devez connaître sa masse. Trouvez la valeur de cette quantité et le volume de Schwarzschild inhérent à l'objet spatial. En moyenne, un tel indicateur, selon les astrophysiciens, est exceptionnellement petit. Dans un pourcentage impressionnant de cas, il est inférieur au niveau de densité de l'air. Le phénomène s'explique comme suit. Le rayon de Schwarzschild est directement lié au poids, tandis que la densité est inversement liée au volume, et donc au rayon de Schwarzschild. Le volume est directement lié au rayon cubique. La masse augmente linéairement. En conséquence, le volume augmente plus vite que le poids, et la densité moyenne devient plus petite, plus le rayon de l'objet étudié est grand.
Curieux de savoir
La force de marée inhérente à un trou est un gradient de la force de gravité, qui est assez grande à l'horizon, de sorte que même les photons ne peuvent pas s'échapper d'ici. Dans le même temps, l'augmentation du paramètre se produit assez doucement, ce qui permet à l'observateur de franchir l'horizon sans risque pour lui-même.
Études de la densité d'un trou noir dansle centre de l'objet est encore relativement limité. Les astrophysiciens ont établi que plus la singularité centrale est proche, plus le niveau de densité est élevé. Le mécanisme de calcul mentionné précédemment permet d'avoir une idée très moyenne de ce qui se passe.
Les scientifiques ont des idées extrêmement limitées sur ce qui se passe dans le trou, sa structure. Selon les astrophysiciens, la distribution de densité dans un trou n'est pas très significative pour un observateur extérieur, du moins au niveau actuel. Spécification beaucoup plus informative de la gravité, du poids. Plus la masse est grande, plus le centre, l'horizon, sont séparés les uns des autres. Il existe également de telles hypothèses: juste au-delà de l'horizon, la matière est en principe absente, elle ne peut être détectée que dans les profondeurs de l'objet.
Y a-t-il des numéros connus ?
Les scientifiques réfléchissent depuis longtemps à la densité d'un trou noir. Certaines études ont été menées, des tentatives de calcul ont été faites. En voici une.
La masse solaire est de 210^30 kg. Un trou peut se former à l'emplacement d'un objet plusieurs fois plus grand que le Soleil. La densité du trou le plus léger est estimée en moyenne à 10^18 kg/m3. C'est un ordre de grandeur supérieur à la densité du noyau d'un atome. Approximativement la même différence par rapport au niveau de densité moyen caractéristique d'une étoile à neutrons.
L'existence de trous ultra-légers est possible, dont les dimensions correspondent à des particules subnucléaires. Pour de tels objets, l'indice de densité sera prohibitif.
Si notre planète devient un trou, sa densité sera d'environ 210^30 kg/m3. Cependant, les scientifiques n'ont pas été en mesure derévéler les processus à la suite desquels notre maison spatiale peut se transformer en un trou noir.
À propos des chiffres plus en détail
La densité du trou noir au centre de la Voie lactée est estimée à 1,1 million de kg/m3. La masse de cet objet correspond à 4 millions de masses solaires. Le rayon du trou est estimé à 12 millions de km. La densité indiquée du trou noir au centre de la Voie lactée donne une idée des paramètres physiques des trous supermassifs.
Si le poids d'un objet est de 10 ^ 38 kg, c'est-à-dire qu'il est estimé à environ 100 millions de soleils, alors la densité d'un objet astronomique correspondra au niveau de densité du granit trouvé sur notre planète.
Parmi tous les trous connus des astrophysiciens modernes, l'un des trous les plus lourds a été trouvé dans le quasar OJ 287. Son poids correspond à 18 milliards de luminaires de notre système. Quelle est la densité d'un trou noir, les scientifiques l'ont calculé sans trop de difficulté. La valeur s'est avérée extrêmement faible. C'est seulement 60 g/m3. À titre de comparaison: l'air atmosphérique de notre planète a une densité de 1,29 mg/m3.
D'où viennent les trous ?
Les scientifiques ont non seulement mené des recherches pour déterminer la densité d'un trou noir par rapport à l'étoile de notre système ou à d'autres corps cosmiques, mais ont également tenté de déterminer d'où viennent les trous, quels sont les mécanismes de formation de tels objets mystérieux. Maintenant, il y a une idée de quatre manières pour l'apparition de trous. L'option la plus compréhensible est l'effondrement d'une étoile. Quand il devient grand, la synthèse dans le noyau est terminée,la pression disparaît, la matière tombe au centre de gravité, donc un trou apparaît. À mesure que vous approchez du centre, la densité augmente. Tôt ou tard, l'indicateur devient si important que les objets extérieurs sont incapables de surmonter les effets de la gravité. À partir de ce moment, un nouveau trou apparaît. Ce type est plus courant que les autres et est appelé trous de masse solaire.
Un autre type de trou assez courant est un trou supermassif. Ceux-ci sont plus souvent observés dans les centres galactiques. La masse de l'objet par rapport au trou de masse solaire décrit ci-dessus est des milliards de fois supérieure. Les scientifiques n'ont pas encore établi les processus de manifestation de tels objets. On suppose qu'un trou se forme d'abord selon le mécanisme décrit ci-dessus, puis les étoiles voisines sont absorbées, ce qui conduit à la croissance. Ceci est possible si la zone de la galaxie est densément peuplée. L'absorption de la matière se produit plus rapidement que le schéma ci-dessus ne peut l'expliquer, et les scientifiques ne peuvent pas encore deviner comment l'absorption se déroule.
Hypothèses et idées
Un sujet très difficile pour les astrophysiciens est celui des trous primordiaux. Tels, probablement, apparaissent de n'importe quelle masse. Ils peuvent se former dans de grandes fluctuations. Probablement, l'apparition de tels trous a eu lieu dans l'Univers primitif. Jusqu'à présent, les études consacrées aux qualités, aux caractéristiques (dont la densité) des trous noirs, aux processus de leur apparition ne permettent pas de déterminer un modèle reproduisant fidèlement le processus d'apparition d'un trou primaire. Les modèles actuellement connus sont majoritairement tels que, s'ils étaient mis en œuvre dans la réalité,il y aurait trop de trous.
Supposons que le Large Hadron Collider puisse devenir une source de formation d'un trou dont la masse correspond au boson de Higgs. En conséquence, la densité du trou noir sera très grande. Si une telle théorie est confirmée, elle peut être considérée comme une preuve indirecte de la présence de dimensions supplémentaires. À l'heure actuelle, cette conclusion spéculative n'a pas encore été confirmée.
Radiation d'un trou
L'émission d'un trou s'explique par les effets quantiques de la matière. L'espace est dynamique, donc les particules ici sont complètement différentes de ce à quoi nous sommes habitués. Près du trou, non seulement le temps est déformé; la compréhension d'une particule dépend en grande partie de qui l'observe. Si quelqu'un tombe dans un trou, il lui semble qu'il plonge dans le vide, et pour un observateur lointain, cela ressemble à une zone remplie de particules. L'effet s'explique par l'étirement du temps et de l'espace. Le rayonnement du trou a été identifié pour la première fois par Hawking, dont le nom a été donné au phénomène. Le rayonnement a une température inversement proportionnelle à la masse. Plus le poids d'un objet astronomique est faible, plus la température (ainsi que la densité d'un trou noir) est élevée. Si le trou est supermassif ou a une masse comparable à une étoile, la température inhérente de son rayonnement sera inférieure au fond micro-onde. Pour cette raison, il n'est pas possible de l'observer.
Ce rayonnement explique la perte de données. C'est le nom d'un phénomène thermique, qui a une qualité distincte - la température. Il n'y a aucune information sur les processus de formation de trous à travers l'étude, mais un objet qui émet un tel rayonnement perd simultanément de la masse (et donc grossitdensité du trou noir) est réduite. Le processus n'est pas déterminé par la substance à partir de laquelle le trou est formé, ne dépend pas de ce qui y a été aspiré plus tard. Les scientifiques ne peuvent pas dire ce qui est devenu la base du trou. De plus, des études ont montré que le rayonnement est un processus irréversible, c'est-à-dire qui ne peut tout simplement pas exister en mécanique quantique. Cela signifie que le rayonnement ne peut pas être concilié avec la théorie quantique, et l'incohérence nécessite des travaux supplémentaires dans cette direction. Alors que les scientifiques pensent que le rayonnement de Hawking devrait contenir des informations, nous n'avons tout simplement pas encore les moyens, les capacités pour le détecter.
Curieux: les étoiles à neutrons
S'il y a une supergéante, cela ne signifie pas qu'un tel corps astronomique est éternel. Au fil du temps, il change, supprime les couches externes. Des naines blanches peuvent émerger des restes. La deuxième option est les étoiles à neutrons. Des processus spécifiques sont déterminés par la masse nucléaire du corps primaire. Si elle est estimée entre 1,4 et 3 solaires, la destruction de la supergéante s'accompagne d'une très haute pression, à cause de laquelle les électrons sont, pour ainsi dire, pressés dans les protons. Cela conduit à la formation de neutrons, l'émission de neutrinos. En physique, cela s'appelle un gaz dégénéré de neutrons. Sa pression est telle que l'étoile ne peut plus se contracter.
Cependant, comme des études l'ont montré, toutes les étoiles à neutrons ne sont probablement pas apparues de cette façon. Certains d'entre eux sont les restes de grands qui ont explosé comme une seconde supernova.
Rayon du corps du Tommoins que plus de masse. Pour la plupart, cela varie entre 10 et 100 km. Des études ont été menées pour déterminer les densités des trous noirs, des étoiles à neutrons. Pour le second, comme les tests l'ont montré, le paramètre est relativement proche du paramètre atomique. Chiffres précis fixés par les astrophysiciens: 10^10 g/cm3.
Curieux de savoir: théorie et pratique
Les étoiles à neutrons ont été prédites en théorie dans les années 60 et 70 du siècle dernier. Les pulsars ont été les premiers à être découverts. Ce sont de petites étoiles dont la vitesse de rotation est très élevée et le champ magnétique vraiment grandiose. On suppose que le pulsar hérite de ces paramètres de l'étoile d'origine. La période de rotation varie de quelques millisecondes à plusieurs secondes. Les premiers pulsars connus émettaient des émissions radio périodiques. Aujourd'hui, les pulsars à rayonnement du spectre X, le rayonnement gamma sont connus.
Le processus décrit de formation d'étoiles à neutrons peut continuer - rien ne peut l'arrêter. Si la masse nucléaire est supérieure à trois masses solaires, alors le corps ponctuel est très compact, on parle de trous. Il ne sera pas possible de déterminer les propriétés d'un trou noir de masse supérieure à la masse critique. Si une partie de la masse est perdue à cause du rayonnement Hawking, le rayon diminuera simultanément, de sorte que la valeur de poids sera à nouveau inférieure à la valeur critique pour cet objet.
Un trou peut-il mourir ?
Les scientifiques ont avancé des hypothèses sur l'existence de processus dus à la participation de particules et d'antiparticules. La fluctuation des éléments peut entraîner la caractérisation de l'espace videniveau d'énergie zéro, qui (c'est un paradoxe !) ne sera pas égal à zéro. En même temps, l'horizon des événements inhérent au corps recevra un spectre de basse énergie inhérent au corps noir absolu. Un tel rayonnement entraînera une perte de masse. L'horizon se rétrécira légèrement. Supposons qu'il existe deux paires d'une particule et de son antagoniste. Il y a annihilation d'une particule d'une paire et de son antagoniste d'une autre. En conséquence, il y a des photons qui sortent du trou. La deuxième paire de particules proposées tombe dans le trou, absorbant simultanément une certaine quantité de masse, d'énergie. Peu à peu, cela conduit à la mort du trou noir.
En guise de conclusion
Selon certains, un trou noir est une sorte d'aspirateur cosmique. Un trou peut avaler une étoile, il peut même « manger » une galaxie. À bien des égards, l'explication des qualités d'un trou, ainsi que les caractéristiques de sa formation, peuvent être trouvées dans la théorie de la relativité. On sait d'elle que le temps est continu, ainsi que l'espace. Cela explique pourquoi les processus de compression ne peuvent pas être arrêtés, ils sont illimités et illimités.
Ce sont ces mystérieux trous noirs, sur lesquels les astrophysiciens se creusent la tête depuis plus d'une décennie.
