Neutronska zvijezda i crna rupa. Supernove, neutronske zvijezde i crne rupe. Pojedinci i parovi

Gravitacija je temeljna tema mnogih od ovih pitanja. Ovo je sila koja određuje prostor. Drži planete u svojim orbitama, povezuje zvijezde i galaksije i određuje sudbinu našeg svemira.Stvorio Isaac Newton u 17. stoljeću, teorijski opis gravitacije ostaje dovoljno precizan da izračuna putanje svemirskih letjelica na letovima do Marsa, Jupitera i izvan. Ali nakon 1905., kada je Albert Ajnštajn pokazao specijalna teorija relativnosti, da je trenutni prenos informacija nemoguć, fizičari su shvatili da će Njutnovi zakoni prestati da budu adekvatni kada se brzina kretanja izazvanog gravitacijom približi brzini svetlosti. Međutim, Ajnštajnova opšta teorija relativnosti (objavljena 1916.) prilično je dosledna u opisivanju čak i onih situacija u kojima je gravitacija izuzetno jaka.Opšta teorija relativnosti se smatra jednim od dva stuba fizike 20. veka; druga je kvantna teorija, revolucija u idejama koje su nagovijestile naše moderno razumijevanje atoma i njihovih jezgara. Ajnštajnov intelektualni podvig bio je posebno impresivan jer, za razliku od pionira kvantne teorije, nije imao nikakav podsticaj u vidu eksperimentalnog problema.Samo 50 godina kasnije, astronomi su otkrili objekte sa dovoljno jakim gravitacionim poljem u kojima su najkarakterističnije i najupečatljivije karakteristike teorija bi se mogla pojaviti Einstein. Početkom 60-ih godina prošlog stoljeća otkriveni su objekti vrlo velike svjetlosti - kvazari. Činilo se da im je potreban još efikasniji izvor energije od nuklearne fuzije, zahvaljujući kojoj zvijezde sijaju; gravitacijski kolaps se činio najatraktivnijim objašnjenjem. Američki teoretičar Thomas Gold izrazio je uzbuđenje koje je u to vrijeme obuzelo teoretičare. U popodnevnom govoru na prvoj velikoj konferenciji o novom objektu relativističke astrofizike, održanoj u Dalasu 1963., rekao je: „Relativisti sa svojim sofisticiranim radom nisu samo briljantan ukras kulture, već mogu biti korisni za nauku! je sretan: relativisti, koji osjećaju da se njihov rad prepoznaje, da su odjednom postali stručnjaci u oblasti za koju nisu ni znali da postoji, astrofizičari koji su proširili polje djelovanja... Sve je to jako lijepo, nadajmo se da je tako. " Zapažanja korištenjem novih metoda radio i rendgenske astronomije podržala su Goldov optimizam. 1950-ih, najbolji svjetski optički teleskopi bili su koncentrisani u Sjedinjenim Državama, posebno u Kaliforniji. Ovo kretanje iz Evrope nastalo je zbog klimatskih i finansijskih razloga. Međutim, radio talasi iz svemira mogu da putuju kroz oblake, tako da bi se u Evropi i Australiji nova nauka radio astronomije mogla razviti bez uticaja vremenskih uslova.Identifikovani su neki od najjačih izvora svemirske radio buke. Jedna je bila Rakova maglina, rastući ostaci eksplozije supernove koju su istočni astronomi opazili 1054. godine. Drugi izvori bili su udaljeni ekstragalaktički objekti za koje sada razumijemo da su proizvodili energiju u blizini džinovskih crnih rupa. Ova otkrića su bila neočekivana. Fizički procesi odgovorni za emisiju radio-talasa, koji su danas prilično dobro shvaćeni, nisu bili predviđeni.Najupečatljivije neočekivano dostignuće radio astronomije bilo je otkriće neutronskih zvijezda 1967. godine od strane Anthony Hewisha i Jocelyn Bell. Ove zvijezde su gusti ostaci koji su ostali u centru nakon nekih eksplozija supernove. Otkriveni su kao pulsari: rotiraju (ponekad nekoliko puta u sekundi) i emituju moćan snop radio talasa koji prolazi kroz našu vidnu liniju jednom po rotaciji. Važnost neutronskih zvijezda leži u njihovoj krajnosti fizičkim uslovima: kolosalne gustine, jaka magnetna i gravitaciona polja 1969. godine, vrlo brz (30 Hz) pulsar je otkriven u centru Rakovice magline. Pažljiva zapažanja su pokazala da se frekvencija impulsa postepeno smanjivala. Ovo je bilo prirodno ako se energija rotacije zvijezde postepeno pretvara u vjetar čestica koji održava maglinu da svijetli u plavoj svjetlosti. Zanimljivo je da je puls pulsara - 30 u sekundi - toliko visok da ga oko vidi kao konstantan izvor. Da je bila tako sjajna, ali se sporije rotirala – recimo, 10 puta u sekundi – izuzetna svojstva male zvijezde mogla bi biti otkrivena prije 70 godina. Kako bi razvoj fizike 20. veka bio drugačiji da je supergusta materija otkrivena 1920-ih, pre nego što su neutroni otkriveni na Zemlji? Iako niko ne zna, sigurno je da bi se značaj astronomije za fundamentalnu fiziku shvatio mnogo ranije.Neutronske zvijezde otkrivene su slučajno. Niko nije očekivao da će emitovati tako jake i jasne radio impulse. Da su teoretičare ranih 1960-ih pitali kako najbolje otkriti neutronske zvijezde, većina bi predložila traženje rendgenskih zraka. Zaista, ako neutronske zvijezde emituju energiju koliko i obične zvijezde iz mnogo manjeg područja, one bi trebale biti dovoljno vruće da emituju X-zrake. Stoga se činilo da astronomi koji rade na rendgenskim zracima imaju veće šanse da otkriju neutronske zvijezde. zemljina atmosfera, i može se posmatrati samo iz svemira. Rentgenska astronomija, kao i radioastronomija, dobila je poticaj od vojne tehnologije i iskustva. U ovoj oblasti, američki naučnici su preuzeli vodeću ulogu, posebno pokojni Herbert Friedman i njegove kolege iz Laboratorije za istraživanje mornarice SAD. Njihovi prvi detektori rendgenskih zraka, postavljeni na rakete, radili su samo nekoliko minuta prije nego što su pali na tlo. Rendgenska astronomija je napravila veliki napredak 1970-ih, kada je NASA lansirala prvi rendgenski satelit, koji je prikupljao informacije tokom nekoliko godina. Ovaj projekat i mnogi koji su uslijedili pokazali su da je rendgenska astronomija otvorila važan novi prozor u svemir. X-zrake emituje neobično vrući plin i posebno moćni izvori. Stoga rendgenska karta neba ističe najtoplije i najmoćnije objekte u svemiru. Među njima su i neutronske zvijezde, u kojima je masa najmanje velika kao Sunce koncentrisana u volumenu prečnika nešto više od 10 kilometara. Gravitaciona sila na njih je toliko jaka da relativističke korekcije dostižu i do 30%.Trenutno se pretpostavlja da neki ostaci zvijezda prilikom kolapsa mogu premašiti gustinu neutronskih zvijezda i pretvoriti se u crne rupe, koje iskrivljuju vrijeme i prostor još više od neutrona. zvijezde. Astronaut koji se upusti u horizont crne rupe neće moći prenijeti svjetlosne signale svijet- kao da se sam prostor uvlači brže nego što se svjetlost kreće kroz njega. Spoljašnji posmatrač nikada neće saznati konačnu sudbinu astronauta. Činit će mu se da će svaki sat koji upadne unutra ići sve sporije i sporije. Tako će astronaut biti, takoreći, prikovan za horizont, zaustavljen u vremenu.Ruski teoretičari Jakov Zeldovič i Igor Novikov, koji su proučavali kako se vrijeme iskrivljuje oko kolabiranih objekata, predložili su termin „zamrznute zvijezde“ početkom 1960-ih. Termin "crna rupa" je skovan 1968. godine kada je John Wheeler opisao kako "svjetlost i čestice koje padaju izvana... padaju u crnu rupu, samo povećavajući njenu masu i gravitaciju." Crne rupe koje su konačno evolucijsko stanje zvijezda , imaju radijuse od 10 do 50 kilometara. Ali sada postoje uvjerljivi dokazi da crne rupe s masama od miliona ili čak milijardi solarnih masa postoje u centrima većine galaksija. Neki od njih se manifestuju kao kvazari - ugrušci energije koji sijaju jače od svih zvijezda galaksija u kojima se nalaze, ili kao moćni izvori kosmičke radio emisije. Druge, uključujući crnu rupu u centru naše Galaksije, ne pokazuju takvu aktivnost, ali utiču na orbite zvijezda koje im se približavaju.Crne rupe, kada se gledaju izvana, su standardizirani objekti: nema znakova po kojima moglo se utvrditi kako je određena crna rupa nastala ili koje je objekte progutala. Godine 1963. Novozelanđanin Roy Kerr otkrio je rješenje Ajnštajnovih jednačina, koje opisuje kolabirani rotirajući objekat. "Ker Rješenje" je postalo vrlo bitan, kada su teoretičari shvatili da opisuje prostor-vrijeme oko bilo koje crne rupe. Objekat koji se urušava brzo prelazi u standardizovano stanje, koje karakterišu samo dva broja koja mere njegovu masu i okretanje. Roger Penrose, matematički fizičar koji je možda najviše učinio da oživi teoriju relativnosti 1960-ih, primijetio je: "Pomalo je ironično da je za najčudniji i najmanje poznati astrofizički objekat - crnu rupu - naša teorijska slika najpotpunija." Otkriće crnih rupa utrlo je put testiranju najupečatljivijih posljedica Ajnštajnove teorije. Emisija iz takvih objekata je uglavnom zbog vrućeg plina koji spiralno pada u „gravitacijske jame“. Pokazuje snažan Doplerov efekat, a ima i dodatni crveni pomak zbog jakog gravitacionog polja. Spektroskopsko proučavanje ovog zračenja, posebno rendgenskih zraka, omogućit će nam da ispitamo tok vrlo blizu crne rupe i utvrdimo da li se oblik prostora slaže s predviđanjima teorije.

Crna rupa je neutronska zvijezda, tačnije, crna rupa je jedna od varijanti neutronskih zvijezda.

Crna rupa, poput neutronske zvijezde, sastoji se od neutrona. Štoviše, ovo nije neutronski plin, u kojem su neutroni u slobodnom stanju, već vrlo gusta supstanca s gustinom atomskog jezgra.

Crne rupe i neutronske zvijezde nastaju kao rezultat gravitacionog kolapsa, kada tlak plina u zvijezdi ne može uravnotežiti njenu gravitaciju. Ovo kompresuje zvijezdu na vrlo malu veličinu i vrlo veliku gustoću, tako da se elektroni istiskuju u protone i nastaju neutroni.

Imajte na umu da je prosječno vrijeme života slobodnog neutrona oko 15 minuta (vrijeme poluraspada je oko 10 minuta). Stoga neutroni u neutronskim zvijezdama i crnim rupama mogu biti samo u vezanom stanju, kao u atomskim jezgrama. Stoga su neutronska zvijezda i crna rupa poput atomskog jezgra makroskopske veličine, u kojem nema protona.

Odsustvo protona je razlika između crne rupe i neutronske zvijezde iz atomskog jezgra. Druga razlika je zbog činjenice da su u običnim atomskim jezgrama neutroni i protoni "zalijepljeni" jedni za druge pomoću nuklearnih sila (tzv. "jaka" interakcija). A u neutronskim zvijezdama, neutroni su "zalijepljeni zajedno" gravitacijom.

Činjenica je da su i nuklearnim silama potrebni protoni kako bi "sljepili" neutrone. Ne postoje jezgra koja se sastoje samo od neutrona. Mora postojati barem jedan proton. A za gravitaciju, protoni nisu potrebni da bi neutrone "sljepili".

Druga razlika između gravitacije i nuklearnih sila je u tome što je gravitacija interakcija dugog dometa, a nuklearne sile su interakcija kratkog dometa. Stoga, atomska jezgra ne mogu biti makroskopske veličine. Počevši od uranijuma, svih elemenata periodni sistem Mendeljejeva imaju nestabilna jezgra koja se raspadaju zbog činjenice da se pozitivno nabijeni protoni međusobno odbijaju i razbijaju velika jezgra.

Neutronske zvijezde i crne rupe nemaju ovaj problem, jer su, prvo, gravitacijske sile dalekosežne, a drugo, u neutronskim zvijezdama i crnim rupama nema pozitivno nabijenih protona.

Neutronska zvijezda i crna rupa pod utjecajem gravitacijskih sila imaju oblik lopte, odnosno elipsoida rotacije, jer sve neutronske zvijezde (i crne rupe) rotiraju oko svoje ose. I to prilično brzo, s periodima rotacije od nekoliko sekundi ili manje.

Činjenica je da neutronske zvijezde i crne rupe nastaju od običnih zvijezda njihovim snažnim kompresijom pod utjecajem gravitacije. Stoga, prema zakonu održanja obrtnog momenta, moraju se rotirati vrlo brzo.

Jesu li površine crnih rupa i neutronskih zvijezda čvrste? Ne u smislu čvrstog tijela, kao agregatnog stanja materije, već u smislu čiste površine lopte, bez neutronske atmosfere. Očigledno, da, crne rupe i neutronske zvijezde imaju čvrstu površinu. Neutronska atmosfera i neutronska tečnost su neutroni u slobodnom stanju, što znači da se moraju raspasti.

Ali to ne znači da ako, na primjer, ispustimo neki “proizvod” od neutrona gustoće atomskog jezgra na površinu crne rupe ili neutronske zvijezde, onda će on ostati na površini zvijezde. Takav hipotetički "proizvod" odmah će biti "usisan" u unutrašnjost neutronske zvijezde i crne rupe.

Razlika između crnih rupa i neutronskih zvijezda

Gravitacija crne rupe je takva da brzina bijega na njenoj površini premašuje brzinu svjetlosti. Stoga, svjetlost s površine crne rupe ne može zauvijek otići otvoreni prostor. Gravitacijske sile savijaju svjetlosni snop unazad.

Ako postoji izvor svjetlosti na površini crne rupe, tada fotoni te svjetlosti prvo lete prema gore, a zatim se okreću i padaju nazad na površinu crne rupe. Ili ovi fotoni počinju rotirati oko crne rupe u eliptičnoj orbiti. Ovo posljednje se događa na crnoj rupi na čijoj je površini prva izlazna brzina manja od brzine svjetlosti. U tom slučaju foton može pobjeći s površine crne rupe, ali postaje stalni pratilac crne rupe.

A na površini svih ostalih neutronskih zvijezda koje nisu crne rupe, druga izlazna brzina je manja od brzine svjetlosti. Stoga, ako na površini postoji takav neutronska rupa postoji izvor svjetlosti, tada fotoni iz tog izvora svjetlosti napuštaju površinu takve neutronske zvijezde u hiperboličkim orbitama.

Jasno je da se sva ova razmatranja odnose ne samo na vidljivu svjetlost, već i na svako elektromagnetno zračenje. Odnosno, ne samo vidljiva svjetlost, već i radio valovi, infracrveni zraci, ultraljubičasto, rendgensko i gama zračenje ne mogu ostaviti crnu rupu. Maksimum koji fotoni ovih zračenja i valova mogu učiniti je da počnu rotirati oko crne rupe ako je za datu crnu rupu brzina svjetlosti veća od prve kosmičke brzine na površini zvijezde.

Zbog toga se takve neutronske zvijezde nazivaju „crne rupe“. Ništa ne leti iz crne rupe, ali sve može da uleti. (Ovdje nećemo razmatrati isparavanje crnih rupa zbog kvantnog tuneliranja.)

Odnosno, jasno je da tu zapravo nema rupe u svemiru. Kao što ne postoji rupa u svemiru na lokaciji obične neutronske zvijezde ili na lokaciji obične zvijezde.

Rupe u svemiru postoje samo u knjigama pisaca naučne fantastike, u naučno-popularnim publikacijama i televizijskim programima. Publikacije i televizijski programi moraju finansijski nadoknaditi troškove tiraža i gledanosti. Stoga svoje čitaoce i televizijske gledaoce moraju emotivno zadiviti činjenicama koje se ne mogu provjeriti na sadašnjem nivou razvoja nauke i tehnologije, ali se mogu pojaviti u nekim matematičkim modelima. (Laička javnost obično ne sumnja da su matematički modeli u fizici uvijek sekundarni, da je fizika eksperimentalna nauka i da matematički modeli fizičkih objekata imaju tendenciju da se mijenjaju u budućnosti kako novi eksperimentalni podaci postanu dostupni.)

Kad bismo mogli stajati na površini crne rupe, onda bismo, gledajući gore, vidjeli prozirno ogledalo umjesto zvjezdanog neba. Odnosno, tamo bismo vidjeli i okolni prostor (pošto crna rupa prima svo zračenje koje joj se šalje) i svjetlost koja nam se vraća a da nije u stanju da savlada gravitaciju. Ovaj povratak svjetlosti ima efekat ogledala.

Potpuno isto prozirno "ogledalo" na površini crne rupe javlja se i za druge vrste elektromagnetnog zračenja (radio talasi, rendgenske zrake, ultraljubičasto, itd.)

Bijeli patuljci, neutronske zvijezde i crne rupe su raznih oblika završna faza evolucije zvezda. Mlade zvijezde crpe svoju energiju iz termonuklearnih reakcija koje se dešavaju u unutrašnjosti zvijezde; Tokom ovih reakcija vodonik se pretvara u helijum. Nakon što se potroši određeni udio vodika, rezultirajuća helijska jezgra počinje da se skuplja. Dalja evolucija zvijezde ovisi o njenoj masi, tačnije o tome kako se ona odnosi na određenu kritičnu vrijednost zvanu Chandrasekhar granica. Ako je masa zvijezde manja od ove vrijednosti, tada pritisak degeneriranog elektronskog plina zaustavlja kompresiju (kolaps) jezgre helijuma prije nego što njegova temperatura dostigne takvu vrijednost. visoka vrijednost kada počnu termonuklearne reakcije, tokom kojih se helijum pretvara u ugljenik. U međuvremenu, spoljni slojevi zvezde u razvoju relativno brzo se odbacuju. (Pretpostavlja se da se planetarne magline formiraju na ovaj način.) Bijeli patuljak je helijumsko jezgro okruženo manje ili više proširenom vodoničnom ljuskom.

U masivnijim zvijezdama, helijumsko jezgro nastavlja da se skuplja sve dok helijum ne "izgori". Energija koja se oslobađa kada se helijum pretvara u ugljik sprječava daljnji kolaps jezgra - ali ne zadugo. Nakon što se helijum potpuno potroši, kompresija jezgre se nastavlja. Temperatura ponovo raste, počinju druge nuklearne reakcije, koje traju sve dok se energija pohranjena u atomskim jezgrama ne iscrpi. U ovom trenutku, jezgro zvijezde se već sastoji od čistog željeza, koje igra ulogu nuklearnog "pepela". Sada ništa ne može spriječiti daljnji kolaps zvijezde - on se nastavlja sve dok gustina njene materije ne dostigne gustinu atomskih jezgara. Oštra kompresija materije u središnjim dijelovima zvijezde stvara eksploziju ogromne sile, zbog čega se vanjski slojevi zvijezde razlijeću ogromnom brzinom. Upravo te eksplozije astronomi povezuju s fenomenom supernova.

Sudbina zvjezdanog ostatka u kolapsu ovisi o njegovoj masi. Ako je masa manja od otprilike 2,5M 0 (masa Sunca), tada je pritisak zbog "nulte" kretanja neutrona i protona dovoljno velik da spriječi daljnju gravitacijsko kompresiju zvijezde. Objekti u kojima je gustina materije jednaka (ili čak i veća) gustina atomskih jezgara nazivaju se neutronskim zvijezdama. Njihova svojstva prvi su proučavali 30-ih godina R. Oppenheimer i G. Volkov.

Prema Newtonovoj teoriji, radijus zvijezde u kolapsu opada na nulu u konačnom vremenu, dok se gravitacijski potencijal neograničeno povećava. Ajnštajnova teorija prikazuje drugačiji scenario. Brzina fotona se smanjuje kako se približava centru crne rupe, postajući jednak nuli. To znači da sa tačke gledišta spoljašnjeg posmatrača, foton koji padne u crnu rupu nikada neće doći do njenog centra. Budući da se čestice materije ne mogu kretati brže od fotona, radijus crne rupe će dostići svoju graničnu vrijednost za beskonačno vrijeme. Štaviše, fotoni emitovani sa površine crne rupe doživljavaju sve veći crveni pomak tokom kolapsa. Sa tačke gledišta spoljašnjeg posmatrača, objekat od kojeg se formira crna rupa u početku se skuplja sve većom brzinom; tada njegov radijus počinje da se smanjuje sve sporije.

Bez unutrašnjih izvora energije, neutronske zvijezde i crne rupe brzo se hlade. A kako je njihova površina vrlo mala - svega nekoliko desetina kvadratnih kilometara - treba očekivati ​​da je sjaj ovih objekata izuzetno nizak. Zaista, toplotno zračenje sa površine neutronskih zvijezda ili crnih rupa još nije uočeno. Međutim, neke neutronske zvijezde su moćni izvori netermalnog zračenja. Radi se o o takozvanim pulsarima koje je 1967. otkrila Jocelyn Bell, studentica postdiplomskog studija na Univerzitetu u Kembridžu. Bell je proučavao radio signale snimljene pomoću opreme koju je razvio Anthony Hewish za proučavanje zračenja oscilirajućih radio izvora. Među brojnim snimcima haotično treperavih izvora, primijetila je jedan gdje su se rafali ponavljali sa jasnom periodičnošću, iako su varirali u intenzitetu. Detaljnija zapažanja potvrdila su upravo periodičnu prirodu impulsa, a proučavanjem drugih zapisa otkrivena su još dva izvora sa istim svojstvima. Opažanja i teorijska analiza pokazuju da su pulsari brzo rotirajuće neutronske zvijezde s neobično jakim magnetnim poljima. Pulsirajuća priroda zračenja uzrokovana je snopom zraka koji izlazi iz "vrućih tačaka" na (ili blizu) površine rotirajuće neutronske zvijezde. Detaljan mehanizam ovog zračenja i dalje ostaje misterija za naučnike.

Nekoliko neutronskih zvijezda je otkriveno kao dio bliskih binarnih sistema. Upravo su ove (i nijedne druge) neutronske zvijezde moćni izvori rendgenskog zračenja. Zamislimo blisku dvojnicu, čija je jedna komponenta džin ili superdžin, a druga kompaktna zvijezda. Pod uticajem gravitacionog polja kompaktne zvezde, gas može da iscuri iz razređene atmosfere diva: takva strujanja gasa u bliskim binarnim sistemima, dugo otkrivena metodama spektralne analize, dobila su odgovarajuću teorijsku interpretaciju. Ako je kompaktna zvijezda u binarnom sistemu neutronska zvijezda ili crna rupa, tada se molekuli plina koji izlaze iz druge komponente sistema mogu ubrzati do vrlo visokih energija. Zbog sudara između molekula kinetička energija plin koji pada na kompaktnu zvijezdu na kraju se pretvara u toplinu i zračenje. Kako pokazuju procjene, energija oslobođena u ovom slučaju u potpunosti objašnjava uočeni intenzitet rendgenske emisije iz binarnih sistema ovog tipa.

IN opšta teorija U Ajnštajnovoj relativnosti, crne rupe zauzimaju isto mesto kao i ultrarelativističke čestice u njegovoj specijalnoj teoriji relativnosti. Ali ako je svijet ultrarelativističkih čestica - fizika visoke energije - pun nevjerovatnih fenomena koji se igraju važnu ulogu u eksperimentalnoj fizici i opservacijskoj astronomiji, fenomeni povezani s crnim rupama i dalje izazivaju samo iznenađenje. Fizika crne rupe će na kraju dati rezultate koji su važni za kosmologiju, ali za sada je ova grana nauke uglavnom igralište za teoretičare. Ne slijedi li iz ovoga da nam Ajnštajnova teorija gravitacije daje manje informacija o Univerzumu od Njutnove teorije, iako je u teorijskom smislu znatno superiornija od nje? Ne sve! Za razliku od Newtonove teorije, Ajnštajnova teorija čini osnovu samodoslednog modela stvarnog univerzuma kao celine, da ova teorija ima mnoga neverovatna i proverljiva predviđanja, i, konačno, pruža uzročnu vezu između slobodno padajuće, nerotirajuće reference. okvire i distribuciju, kao i kretanje mase u svemirskom prostoru.

U svemiru se dešavaju mnoge nevjerovatne stvari, uslijed kojih se pojavljuju nove zvijezde, nestaju stare i stvaraju crne rupe. Jedan od veličanstvenih i misteriozne pojave dolazi do gravitacionog kolapsa, čime se završava evolucija zvijezda.

Zvezdana evolucija je ciklus promena kroz koje zvezda prolazi tokom svog životnog veka (milioni ili milijarde godina). Kada vodonik u njemu ponestane i pretvori se u helijum, formira se helijumsko jezgro, a ono samo počinje da se pretvara u crvenog diva - zvijezdu kasnih spektralnih klasa koja ima veliku svjetlost. Njihova masa može biti 70 puta veća od mase Sunca. Vrlo svijetli supergiganti se nazivaju hipergiganti. Osim visoke svjetline, razlikuju se kratak period postojanje.

Suština kolapsa

Ovaj fenomen se smatra završnom tačkom evolucije zvijezda čija je težina veća od tri solarne mase (težina Sunca). Ova količina se koristi u astronomiji i fizici za određivanje težine drugih kosmičkih tijela. Kolaps nastaje kada gravitacijske sile uzrokuju da se ogromna kosmička tijela velike mase vrlo brzo stisnu.

Zvijezde koje teže više od tri solarne mase sadrže dovoljno materijala za dugotrajne termonuklearne reakcije. Kada supstanca ponestane, termonuklearna reakcija prestaje, a zvijezde prestaju biti mehanički stabilne. To dovodi do činjenice da se počinju sabijati prema centru nadzvučnom brzinom.

Neutronske zvijezde

Kada se zvijezde skupljaju, to stvara unutrašnji pritisak. Ako raste dovoljnom silom da zaustavi gravitacijsko kompresiju, tada se pojavljuje neutronska zvijezda.

Takvo kosmičko tijelo ima jednostavnu strukturu. Zvijezda se sastoji od jezgra, koje je prekriveno korom, a ono se, zauzvrat, formira od elektrona i atomskih jezgara. Debeo je otprilike 1 km i relativno je tanak u odnosu na druga tijela koja se nalaze u svemiru.

Težina neutronskih zvijezda jednaka je težini Sunca. Razlika između njih je u tome što je njihov radijus mali - ne više od 20 km. Unutar njih, atomska jezgra međusobno djeluju, formirajući tako nuklearnu materiju. To je pritisak sa njene strane koji sprečava neutronsku zvezdu da se dalje skuplja. Ova vrsta zvijezde ima vrlo veliku brzinu rotacije. Sposobni su napraviti stotine okretaja u jednoj sekundi. Proces rađanja počinje eksplozijom supernove, koja se događa tokom gravitacionog kolapsa zvijezde.

Supernove

Eksplozija supernove je fenomen iznenadna promena sjaj zvezde. Tada zvijezda počinje polako i postepeno blijediti. Tako se završava posljednja faza gravitacionog kolapsa. Čitavu kataklizmu prati oslobađanje velika količina energije.

Treba napomenuti da stanovnici Zemlje mogu vidjeti ovaj fenomen tek naknadno. Svjetlost stiže do naše planete dugo nakon izbijanja epidemije. To je izazvalo poteškoće u određivanju prirode supernova.

Hlađenje neutronske zvijezde

Nakon završetka gravitacijske kontrakcije koja je rezultirala formiranjem neutronske zvijezde, njena temperatura je vrlo visoka (mnogo viša od temperature Sunca). Zvezda se hladi usled hlađenja neutrina.

U roku od nekoliko minuta njihova temperatura može pasti 100 puta. U narednih sto godina - još 10 puta. Nakon što se smanji, proces hlađenja se značajno usporava.

Oppenheimer-Volkoff granica

S jedne strane, ovaj indikator odražava maksimalnu moguću težinu neutronske zvijezde pri kojoj se gravitacija kompenzira neutronskim plinom. Ovo sprečava da gravitacioni kolaps završi u crnoj rupi. S druge strane, takozvana Oppenheimer-Volkoffova granica je također niži prag za težinu crne rupe koja je nastala tokom evolucije zvijezda.

Zbog niza nepreciznosti, teško je odrediti tačnu vrijednost ovog parametra. Međutim, procjenjuje se da je u rasponu od 2,5 do 3 solarne mase. On ovog trenutka, naučnici kažu da je najteža neutronska zvijezda J0348+0432. Njegova težina je veća od dvije solarne mase. Najlakša crna rupa teži 5-10 solarnih masa. Astrofizičari kažu da su ovi podaci eksperimentalni i da se odnose samo na trenutno poznate neutronske zvijezde i crne rupe te sugeriraju mogućnost postojanja masivnijih.

Crne rupe

Crna rupa je jedan od najneverovatnijih fenomena pronađenih u svemiru. Predstavlja oblast prostor-vremena u kojoj gravitaciono privlačenje ne dozvoljava nijednom objektu da pobegne iz njega. Čak i tijela koja se mogu kretati brzinom svjetlosti (uključujući kvante same svjetlosti) ne mogu je napustiti. Prije 1967. godine, crne rupe su nazivane "zamrznute zvijezde", "kolapsari" i "kolapsirane zvijezde".

Crna rupa ima svoju suprotnost. To se zove bela rupa. Kao što znate, nemoguće je izaći iz crne rupe. Što se tiče belaca, u njih se ne može probiti.

Osim gravitacionog kolapsa, stvaranje crne rupe može biti uzrokovano kolapsom u centru galaksije ili protogalaktičkom oku. Postoji i teorija da su se crne rupe pojavile kao rezultat Velikog praska, baš kao i naša planeta. Naučnici ih nazivaju primarnim.

U našoj galaksiji postoji jedna crna rupa, koja je, prema astrofizičarima, nastala usled gravitacionog kolapsa supermasivnih objekata. Naučnici kažu da takve rupe čine jezgra mnogih galaksija.

Astronomi u Sjedinjenim Državama sugeriraju da bi veličina velikih crnih rupa mogla biti značajno podcijenjena. Njihove pretpostavke zasnivaju se na činjenici da da bi zvijezde postigle brzinu kojom se kreću kroz galaksiju M87, koja se nalazi 50 miliona svjetlosnih godina od naše planete, masa crne rupe u centru galaksije M87 mora biti najmanje 6,5 milijardi solarnih masa. Trenutno je opšte prihvaćeno da je težina najveće crne rupe 3 milijarde solarnih masa, odnosno više od upola manje.

Sinteza crne rupe

Postoji teorija da se ovi objekti mogu pojaviti kao rezultat nuklearnih reakcija. Naučnici su im dali naziv kvantni crni darovi. Minimalni prečnik im je 10 -18 m, a najmanja masa 10 -5 g.

Veliki hadronski sudarač je napravljen da sintetiše mikroskopske crne rupe. Pretpostavljalo se da bi uz njegovu pomoć bilo moguće ne samo sintetizirati crnu rupu, već i simulirati Veliki prasak, što bi omogućilo ponovno stvaranje procesa formiranja mnogih svemirskih objekata, uključujući planetu Zemlju. Međutim, eksperiment nije uspio jer nije bilo dovoljno energije za stvaranje crnih rupa.

“Ostaci eksplodiranog jezgra poznati su kao neutronska zvijezda. Neutronske zvijezde se vrte vrlo brzo, emitujući svjetlost i radio talase koji, kada prolaze pored Zemlje, izgledaju kao svjetlost kosmičkog svjetionika.

Fluktuacije u sjaju ovih talasa navele su astronome da takve zvezde nazovu pulsarima. Najbrži pulsari rotiraju brzinom od skoro 1000 okretaja u sekundi." (1)

“Do danas je otvoreno više od dvije stotine. Registracijom zračenja pulsara na različitim, ali bliskim frekvencijama, bilo je moguće otkriti kašnjenje signala duža dužina valovi (pod pretpostavkom određene gustine plazme u međuzvjezdanom mediju) određuju udaljenost do njih. Ispostavilo se da se svi pulsari nalaze na udaljenostima od 100 do 25.000 svjetlosnih godina, odnosno pripadaju našoj galaksiji, grupirajući se u blizini ravnine mliječni put(Sl. 7)". (2)

Crne rupe

„Ako zvijezda ima dvostruko veću masu od Sunca, tada bi pred kraj svog života zvijezda mogla eksplodirati kao supernova, ali ako masa materijala koji je preostala nakon eksplozije i dalje premašuje dvostruko veću masu Sunca, tada bi zvijezda trebala kolabirati u gusto sićušno tijelo, budući da gravitacijske sile u potpunosti potiskuju svaki otpor kompresiji. Naučnici vjeruju da upravo u ovom trenutku katastrofalni gravitacijski kolaps dovodi do pojave crne rupe. Vjeruju da sa završetkom termonuklearnih reakcija zvijezda više ne može biti u stabilnom stanju. Tada za masivnu zvijezdu ostaje jedan neizbježan put: put općeg i potpunog kompresije (kolapsa), pretvarajući je u nevidljivu crnu rupu.

Godine 1939. R. Openheimer i njegov diplomirani student Snyder na Univerzitetu u Kaliforniji (Berkeley) bavili su se rasvjetljavanjem konačne sudbine velike mase hladne materije. Jedna od najupečatljivijih posledica Ajnštajnove opšte teorije relativnosti pokazala se sledećom: kada velika masa počne da se urušava, ovaj proces se ne može zaustaviti i masa se sruši u crnu rupu. Ako, na primjer, nerotirajuća simetrična zvijezda počne da se skuplja na kritičnu veličinu poznatu kao gravitacijski radijus, ili Schwarzschild radijus (nazvan po Karlu Schwarzschildu, koji je prvi ukazao na njeno postojanje). Ako zvijezda dosegne ovaj polumjer, onda je ništa ne može spriječiti da dovrši svoj kolaps, odnosno da se doslovno zatvori u sebe.

Šta su fizička svojstva“crne rupe” i kako naučnici očekuju da će otkriti ove objekte? Mnogi naučnici su razmišljali o ovim pitanjima; Dobijeni su neki odgovori koji mogu pomoći u potrazi za ovakvim objektima.

Sam naziv - crne rupe - sugerira da se radi o klasi objekata koji se ne mogu vidjeti. Njihovo gravitaciono polje je toliko snažno da kada bi se nekako bilo moguće približiti crnoj rupi i usmeriti snop najmoćnijeg reflektora dalje od njene površine, onda bi bilo nemoguće videti ovaj reflektor čak i sa udaljenosti koja ne prelazi udaljenost od Zemlje do Sunca. Zaista, čak i kada bismo mogli da koncentrišemo svu sunčevu svetlost u ovom moćnom reflektoru, ne bismo ga videli, jer svetlost ne bi mogla da savlada uticaj gravitacionog polja crne rupe na nju i napusti njenu površinu. Zato se takva površina naziva apsolutnim horizontom događaja. Predstavlja granicu crne rupe.

Naučnici primjećuju da ove neobične objekte nije lako razumjeti dok ostaju u okviru Newtonovog zakona gravitacije. U blizini površine crne rupe, gravitacija je toliko jaka da ovdje prestaju važiti uobičajeni Newtonovi zakoni. Trebalo bi ih zamijeniti zakonima Ajnštajnove opšte teorije relativnosti. Prema jednoj od tri posledice Ajnštajnove teorije, kada svetlost napusti masivno telo, ono bi trebalo da doživi crveni pomak, jer gubi energiju da bi savladalo gravitaciono polje zvezde. Radijacija koja dolazi iz guste zvijezde bijeli patuljak- satelit Sirijusa A, - samo se malo pomera u crvenu oblast spektra. Što je zvijezda gušća, to je ovaj pomak veći, tako da nikakvo zračenje u vidljivom dijelu spektra neće dolaziti od super guste zvijezde. Ali ako se gravitacijski učinak zvijezde poveća kao rezultat njenog kompresije, tada su gravitacijske sile toliko jake da svjetlost uopće ne može napustiti zvijezdu. Tako je za svakog posmatrača potpuno isključena mogućnost da vidi crnu rupu! Ali onda se prirodno postavlja pitanje: ako nije vidljivo, kako ga onda možemo otkriti? Kako bi odgovorili na ovo pitanje, naučnici pribjegavaju pametnim trikovima. Ruffini i Wheeler su detaljno proučili ovaj problem i predložili nekoliko načina, ako ne da se vidi, ali barem da se otkrije crna rupa. Počnimo sa činjenicom da kada crna rupa rođen u procesu gravitacionog kolapsa, trebalo bi da emituje gravitacione talase koji bi mogli da pređu svemir brzinom svetlosti i kratko vrijeme iskrivljuju geometriju svemira u blizini Zemlje. Ovo izobličenje bi se manifestovalo u obliku gravitacionih talasa koji istovremeno deluju na identične instrumente postavljene na površini zemlje na znatnoj udaljenosti jedan od drugog. Gravitaciono zračenje moglo bi doći od zvijezda koje prolaze kroz gravitacijski kolaps. Ako je unutar običan život zvijezda je rotirala, a zatim će se, smanjivati ​​i postajati sve manja i manja, rotirati sve brže i brže, zadržavajući svoj ugaoni moment. Konačno, može doći do faze kada se brzina kretanja na njegovom ekvatoru približi brzini svjetlosti, odnosno maksimalnoj mogućoj brzini. U ovom slučaju, zvijezda bi bila jako deformirana i mogla bi izbaciti dio materije. Sa takvom deformacijom, energija bi mogla pobjeći iz zvijezde u obliku gravitacijskih valova sa frekvencijom od oko hiljadu vibracija u sekundi (1000 Hz).

Roger Penrose, profesor matematike na Birkbeck koledžu, Univerzitet u Londonu, ispitao je neobičan slučaj kolapsa i formiranja crne rupe. On priznaje da crna rupa nestaje, a zatim se pojavljuje u neko drugo vrijeme u nekom drugom svemiru. Pored toga, on tvrdi da je rođenje crne rupe tokom gravitacionog kolapsa važan pokazatelj da se nešto neobično dešava sa geometrijom prostor-vremena. Penroseovo istraživanje pokazuje da se kolaps završava formiranjem singulariteta (od latinskog singularius - odvojen, pojedinačni), odnosno treba da se nastavi na nulte dimenzije i beskonačnu gustinu objekta. Poslednji uslov omogućava da se drugi univerzum približi našoj singularnosti, i moguće je da će singularnost preći u ovaj novi univerzum. Može se čak pojaviti na nekom drugom mjestu u našem Univerzumu.

Neki naučnici gledaju na formiranje crne rupe kao na mali model onoga što opća teorija relativnosti predviđa da će se na kraju dogoditi svemiru. Općenito je prihvaćeno da možemo u svemiru koji se stalno širi, a jedno od najvažnijih i najhitnijih pitanja nauke tiče se prirode Univerzuma, njegove prošlosti i budućnosti. Bez sumnje, svi savremeni rezultati opservacije ukazuju na širenje Univerzuma. Međutim, danas jedan od najjačih lukava pitanja je ovo: da li se brzina ove ekspanzije usporava, i ako jeste, hoće li se Univerzum skupljati za desetine milijardi godina, formirajući singularitet. Po svemu sudeći, jednog dana ćemo moći da shvatimo kojim putem Univerzum ide, ali možda mnogo ranije, proučavajući informacije koje procure pri rođenju crnih rupa i fizički zakoni, koji kontrolišu njihovu sudbinu, moći ćemo da predvidimo konačnu sudbinu Univerzuma (slika 8).“ (1)