תקציר על הנושא:

"חורים שחורים של היקום"

ולדיווסטוק

2000
תוֹכֶן:

חורים שחורים של היקום____________________________3

השערות ופרדוקסים______________________________6

מסקנה_____________________________________________________14

רשימת ספרות משומשת_________________15

חורים שחורים של היקום

נראה היה שהתופעה הזו מכילה כל כך הרבה בלתי מוסבר, כמעט מיסטי, שאפילו אלברט איינשטיין, שהתיאוריות שלו, למעשה, הולידו את הרעיון של חורים שחורים, פשוט לא האמין בקיומם. כיום, אסטרופיזיקאים יותר ויותר משוכנעים שחורים שחורים הם מציאות.

חישובים מתמטיים מראים שיש ענקים בלתי נראים. לפני ארבע שנים, קבוצה של אסטרונומים אמריקאים ויפנים כיוונה את הטלסקופ שלהם לעבר קבוצת הכוכבים Canes Venatici, לעבר הערפילית הספירלית M106 שנמצאת שם. הגלקסיה הזו נמצאת במרחק של 20 מיליון שנות אור מאיתנו, אבל אפשר לראות אותה אפילו עם טלסקופ חובבים. רבים האמינו שזה זהה לאלפי גלקסיות אחרות. לאחר מחקר מדוקדק, התברר שלערפילית M106 יש אחת כזו תכונה נדירה- בחלקו המרכזי יש מחולל קוונטי טבעי - מאסר. אלו הם ענני גז שבהם מולקולות, עקב "שאיבה" חיצונית, פולטות גלי רדיו באזור המיקרוגל. המאסר עוזר לקבוע במדויק את מיקומו ואת מהירות הענן, ובסופו של דבר גרמי שמים אחרים.

האסטרונום היפני מאקוטו מיוניס ועמיתיו, בזמן שצפו בערפילית M106, גילו התנהגות מוזרה של המאסר הקוסמי שלה. התברר שהעננים מסתובבים סביב איזה מרכז שנמצא במרחק של 0.5 שנות אור מהם. אסטרונומים הסתקרנו במיוחד מהמוזרות של הסיבוב הזה: השכבות ההיקפיות של העננים נעו ארבעה מיליון קילומטרים לשעה! זה מצביע על כך שמסה ענקית מרוכזת במרכז. לפי חישובים, הוא שווה ל-36 מיליון מסות שמש.

M106 היא לא הגלקסיה היחידה שבה קיים חשד לחור שחור. בערפילית אנדרומדה, קרוב לוודאי, יש גם אותה מסה בערך - 37 מיליון שמשות. ההנחה היא שבגלקסיית M87 - מקור עז ביותר של פליטת רדיו - התגלה חור שחור, שבו מרוכזות 2 מיליארד מסות שמש! אורז. 1 Galaxy M87

רק השליח של גלי הרדיו יכול להיות חור שחור, שעדיין לא סגור לחלוטין על ידי "הקפסולה" של החלל המעוקל. הפיזיקאי הסובייטי יעקב זלדוביץ' ועמיתו האמריקני אדווין סלפטר דיווחו על המודל שפיתחו. הדגם הראה שהחור השחור מושך גז מהחלל שמסביב, ובתחילה הוא נאסף לכדי דיסק לידו. כתוצאה מהתנגשויות של חלקיקים, הגז מתחמם, מאבד אנרגיה ומהירות ומתחיל להסתחרר לעבר החור השחור. גז שחומם לכמה מיליוני מעלות יוצר מערבולת בצורת משפך. חלקיקיו ממהרים במהירות של 100 אלף קילומטרים לשנייה. בסופו של דבר מערבולת הגז מגיעה ל"אופק האירועים" ונעלמת לנצח לתוך החור השחור.

המאסר בגלקסיית M106, שעליה נידונה ממש בהתחלה, נמצא בדיסק גז. לחורים שחורים המתעוררים ביקום, אם לשפוט לפי מה שאסטרונומים אמריקאים ויפנים צפו בערפילית הספירלית M106, יש מסה גדולה לאין ערוך מזו שתוארה על ידי התיאוריה של אופנהיימר. הוא שקל את המקרה של קריסת כוכב אחד, שמסתו היא לא יותר משלושה שמש. אין עדיין הסבר כיצד נוצרים ענקים כאלה שאסטרונומים כבר צופים בהם.

דגמי מחשב עדכניים הראו שענן גז במרכזה של גלקסיה בהתהוות יכול להוליד חור שחור ענק. אבל אפשרי גם נתיב התפתחות אחר: הצטברות הגז מתפרקת תחילה לעננים רבים יותר קטנים, שיתנו חיים מספר גדולכוכבים עם זאת, בשני המקרים, חלק מהגז הקוסמי, בהשפעת כוח המשיכה שלו, יסיים בסופו של דבר את התפתחותו בצורה של חור שחור.

לפי השערה זו, יש חור שחור כמעט בכל גלקסיה, כולל שלנו, אי שם במרכז שביל החלב.

תצפיות על מה שנקרא מערכות כוכבים כפולים, כאשר רק כוכב אחד נראה דרך טלסקופ, נותנות סיבה להאמין שהשותף הבלתי נראה הוא חור שחור. הכוכבים של זוג זה ממוקמים כל כך קרוב זה לזה עד שהמסה הבלתי נראית "שואבת" את החומר של הכוכב הנראה וסופגת אותו. במקרים מסוימים, ניתן לקבוע את זמן הסיבוב של כוכב סביב בן זוגו הבלתי נראה ואת המרחק לבן הזוג הבלתי נראה, מה שמאפשר לחשב את המסה המוסתרת מהתבוננות.

המועמד הראשון לדגם כזה הוא זוג שהתגלה בתחילת שנות ה-70. הוא ממוקם בקבוצת הכוכבים Cygnus (מסומן על ידי מדד Cygnus XI) ופולט קרני רנטגן. מסתובב כאן כוכב כחול לוהט, ובסבירות גבוהה, חור שחור עם מסה שווה ל-16 מסות שמש. לזוג אחר (V404) יש מסה בלתי נראית של 12 אורז. 2 Cygnus XIשִׁמשִׁי זוג חשוד נוסף הוא מקור קרני רנטגן (LMCX3) של תשע מסות שמש הנמצאות בענן המגלן הגדול.

כל המקרים הללו מוסברים היטב בדיון של ג'ון מישל על " כוכבים אפלים" בשנת 1783 הוא כתב: "אם גופים זוהרים מסתובבים סביב משהו בלתי נראה, אז אנחנו צריכים להיות מסוגלים, מתנועת הגוף המסתובב הזה, להסיק בהסתברות מסוימת את קיומו של הגוף המרכזי הזה."

השערות ופרדוקסים

תורת היחסות הכללית חזה כי המסה מכופפת את החלל. ורק ארבע שנים לאחר פרסום עבודתו של איינשטיין, האפקט הזה התגלה על ידי אסטרונומים. במלואו ליקוי חמהתוך כדי תצפית בטלסקופ, אסטרונומים ראו כוכבים שלמעשה הוסתרו על ידי קצה דיסקת הירח השחורה שכיסתה את השמש. בהשפעת כוח המשיכה של השמש, תמונות הכוכבים השתנו. (גם הדיוק של המדידה מדהים כאן, כי הם זזו בפחות מאלפית המעלה!)

אסטרונומים יודעים כעת בוודאות שבהשפעת "עדשת הכבידה", המיוצגת על ידי כוכבים כבדים ומעל לכל, חורים שחורים, מיקומם האמיתי של גרמי שמים רבים שונים למעשה מאלה שאנו רואים מכדור הארץ. גלקסיות רחוקות עשויות להיראות חסרות צורה ו"כמו כמוסה" עבורנו. המשמעות היא: כוח הכבידה כל כך חזק והחלל כל כך מעוות שהאור נע במעגל. באמת שם אתה יכול לראות מה קורה מעבר לפינה.

בואו נדמיין משהו מדהים לחלוטין: אסטרונאוט אמיץ מסוים החליט לשלוח את הספינה שלו לחור שחור כדי ללמוד את סודותיו. מה הוא יראה במסע הפנטסטי הזה?

ככל שהשעון יתקרב למטרה, השעון בחללית ייפול עוד ועוד מאחור - זה נובע מתורת היחסות. בהתקרבות למטרה ימצא את עצמו נוסענו בתוך צינור, כמו בטבעת המקיפה חור שחור, אך ייראה לו שהוא טס במנהרה ישרה לחלוטין, וכלל לא במעגל. אבל עוד יותר מחכה לאסטרונאוט תופעה מדהימה: ברגע שהוא יעבור מעבר ל"אופק האירועים" וינוע לאורך הצינור, הוא יראה את גבו, את החלק האחורי של ראשו...

תורת היחסות הכללית אומרת שלמושגים "בחוץ" ו"בפנים" אין משמעות אובייקטיבית; הם יחסיים, בדיוק כמו האינדיקציות "שמאל" או "ימין", "למעלה" או "למטה". כל הבלבול הפרדוקסלי הזה עם כיוונים מתאים מאוד להערכות היומיומיות שלנו.

ברגע שהספינה תחצה את גבול החור השחור, אנשים על פני כדור הארץ כבר לא יוכלו לראות דבר ממה שיקרה שם. והשעון בספינה ייעצר, כל הצבעים יתערבבו לכיוון אדום: האור יאבד חלק מהאנרגיה שלו במאבק נגד כוח המשיכה. כל האובייקטים ילבשו צורות מוזרות ומעוותות. ולבסוף, גם אם החור השחור הזה היה כבד רק פי שניים מהשמש שלנו, כוח המשיכה יהיה כל כך חזק שגם הספינה וגם הקפטן ההיפותטי שלה יימשכו לתוך חוט ועד מהרה ייקרעו לגזרים. חומר שנלכד בתוך חור שחור לא יוכל לעמוד בפני הכוחות המושכים אותו לכיוון המרכז. סביר להניח שהחומר יתפרק ויכנס למצב יחיד. על פי כמה רעיונות, החומר הנרקב הזה יהפוך לחלק מיקום אחר - חורים שחורים מחברים את המרחב שלנו עם עולמות אחרים.

כמו כל הגופים בטבע, כוכבים אינם נשארים ללא שינוי, הם נולדים, מתפתחים ולבסוף "מתים". לעקוב נתיב חייםכוכבים וכדי להבין איך הם מזדקנים, אתה צריך לדעת איך הם נוצרים. בעבר זה נראה כמו תעלומה גדולה; אסטרונומים מודרניים כבר יכולים לתאר בביטחון רב את הדרכים המובילות להופעה כוכבים בהיריםבשמי הלילה שלנו.

לפני זמן לא רב, אסטרונומים האמינו שלקח מיליוני שנים ליצור כוכב מגז ואבק בין כוכבי. אבל ב השנים האחרונותצילומים מדהימים צולמו של אזור בשמים שהוא חלק מערפילית אוריון הגדולה, שם הופיע צביר קטן של כוכבים במהלך מספר שנים. עַל איור 3 ערפילית אוריון הגדולהתצלומים משנת 1947 קבוצה של שלושה עצמים דמויי כוכב נראתה במיקום זה. עד 1954 כמה מהם הפכו מאורכים, ועד 1959. התצורות המוארכות הללו התפרקו לכוכבים בודדים - בפעם הראשונה בתולדות האנושות, אנשים צפו בהולדת כוכבים ממש לנגד עינינו; אירוע חסר תקדים זה הראה לאסטרונומים שכוכבים יכולים להיוולד במרווח זמן קצר, ולפני כן נראה היה נימוק מוזר שכוכבים בדרך כלל מתעוררים בקבוצות, או שצבירי כוכבים התבררו כנכונים.

אירועים

חורים שחורים עדיין נותרו בגדר תעלומה לאסטרונומים. הם לא רק שואבים פנימה את כל מה שמסביבם, אלא גם יכולים לעוות את רצף המרחב-זמן. כאשר הם מתוחים, הם יוצרים חתך זעיר בתחתית. אסטרונומים רבים היו רוצים לדעת מה מסתתר מאחורי החיתוך הזה. איינשטיין ועמיתו רוזן הציעו זאת קרע של חור שחור אחד קשור לקרע של אחר. חוט החיבור המוצע נקרא גשר איינשטיין-רוזן. למרות ששום דבר דומה לא נצפה ביקום, תיאוריה זו מציעה פתרון לבעיית היחסות הכללית באמצעות שילוב של מודלים של חורים שחורים ולבנים.

ניקודם פופלבסקי, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת אינדיאנה, הציע תרחיש למקור היקום שלנו בפער, הנקרא גם גשר איינשטיין-רוזן. פופלבסקי השתמש במערכת הקואורדינטות של אוקלידס- קואורדינטות איזוטרופיות - כדי לתאר את שדה הכבידה של חור שחור, ולעצב את התנועה הרדיאלית של חלקיק גדול בחור שחור.

לאחר שחקר את תנועתו של חלקיק בגבולות שני סוגים של חורים שחורים - איינשטיין-רוזן ושורצשילד, ציין פופלבסקי שניתן לחקור את התנועה בתוך החור עצמו רק בניסוי. אסטרונומים לא יכולים לראות מה קורה בחור שחור ואתה יכול ללמוד את ההתנהגות של חלקיקים רק אם אתה נכנס לזה בעצמך.

כפי שפופלבסקי אומר, זה היה אפשרי אם היקום שלנו היה בתוך חור שחור שקיים ביקום, גדול יותר בגודלמאשר שלנו. אם עלול להיווצר חור שחור כתוצאה מכך קרע כבידה של החומר,אז גם התהליך ההפוך אפשרי. ניתן לתאר תהליך זה כפיצוץ חור לבן: חומר שיוצא מרדיוס החור השחור, כמו יקום מתרחב.

תיאורטית, חור לבן מחובר לחור שחור דרך גשר איינשטיין-רוזן, והוא היפותטי ההיפך הזמני של חור שחור. בעבודתו הציע פופלבסקי זאת לכל החורים השחורים יש גשרים איינשטיין-רוזן, כל אחד עם היקום שלו בפנים, נוצר במקביל לחור השחור.

"מסתבר שהיקום שלנו יכול היה להיווצר בתוך החור השחור של יקום אחר", אמר פופלבסקי.

אם נמשיך לחקור את ההרס הכבידתי של חלקיקים וליישם אותם בחקר סוגים אחרים של חורים שחורים, אולי בתורת מקור היקום בחור שחור של איינשטיין-רוזן יהיו פחות סתירות מאשר בקודמות.לדוגמה, בעיות וחוסר עקביות רבות מתעוררות עם תיאוריית המפץ הגדול, ותיאוריית אובדן המידע בסמוך לרדיוס של חור שחור, הקובעת שכל המידע על החומר הולך לאיבוד כאשר הוא עובר מעבר לרדיוס של החור השחור.

המודל החדש של היקום מאפשר לנו להסתדר בלי ייחוד קוונטי ואינפלציה קוסמולוגית.

השאלה העיקרית של הקוסמולוגיה יכולה להתנסח מילולית בשלוש מילים: מאיפה בא היקום? לתשובה סטנדרטית, מספיקים שניים: מהסינגולריות הקוונטית. ככה הם קוראים לזה תנאי מיוחדחומר, היכן שאין מקום ולא זמן וחוקים פיזיקליים ידועים אינם חלים. מקובל כי הוא התברר כלא יציב והוליד חלל תלת מימדי מלא בשדות קוונטיים וחלקיקים שנוצרו על ידם. יציאה זו מהייחוד נקראת המפץ הגדול ונחשבת לתחילת עידן היקום.

אף אחד לא באמת יודע מהי הייחודיות הזו. אם "נשחק" את המשוואות הקוסמולוגיות אחורה בזמן לנקודת האפס, צפיפות האנרגיה והטמפרטורה יעברו לאינסוף ויאבדו משמעות פיזית. הסינגולריות מתוארת בדרך כלל כתנודה קוונטית כאוטית בוואקום שאיפשרה את כוח הכבידה ושדות פיזיקליים אחרים. תיאורטיקנים השקיעו מאמצים רבים בניסיון להבין איך זה יכול לקרות בדיוק, אך עד כה ללא הצלחה רבה.

לא פיצוץ, אלא קריסה

כמה מודלים קוסמולוגיים מסתדרים ללא ייחוד לחלוטין, אבל הם נמצאים במיעוט. אבל לאחרונה, שלושה מדענים קנדים העלו מודל מעניין מאוד של המפץ הגדול, שאינו מצריך את השערת הכאוס הקוונטי. פרופסור לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת ווטרלו רוברט מאן ועמיתיו מודים שהיקום שלנו יכול היה להופיע כתוצר לוואי של התכווצות הכבידה של החומר הקוסמי, שהסתיימה בלידתו של חור שחור. הרעיון המרכזי שלהם הוא שהחומר הזה היה קיים במרחב עם לא שלושה, אלא ארבעה ממדים. החור שנולד, שוב בארבעה ממדי, הקיף את עצמו במעטפת תלת מימדית, שהפכה לעובר של היקום. היא שאילה מארבע הממדיות של אמה לא רק את כוח הכבידה, אלא גם שדות וחלקיקים אחרים שקיבלו חיים תלת מימדיים עצמאיים. אז העולם שלנו לא צמח מהמפץ הגדול, אלא מההיפך שלו, הקריסה הגדולה!

מאיפה הגיע הקליפה הזו? חור שחור "רגיל" מוקף במשטח דו מימדי סגור, אופק האירועים. חלקיק שנופל בתוך האופק כבר לא יוכל לחזור, וגם פוטונים מתחת לאופק לא יתגברו על המחסום הבלתי חדיר הזה. אם החור נייח, האופק הוא כדורי, אך עבור חורים מסתובבים כדור זה משוטח בקטבים. מכיוון שלאופק יש עובי אפס, באופן טבעי אין בתוכו שום חומר. אבל זה במרחב תלת מימדי. לחור ארבעה ממדי יש גם אופק אירועים שהמימד שלו אחד פחות משלו. לכן, האופק שלו הוא מרחב תלת מימדי. לפי ההשערה של פיזיקאים קנדים, זה יכול להוליד את היקום שלנו.

פרופסור באוניברסיטת ווטרלו (קנדה):

"משוואות GR הגיוניות עבור רווחים עם שרירותיות מספר גדולממדים, ובכל המקרים יש להם פתרונות המובילים להופעתם של יחודיות. מכאן נובע שאם צפיפות החומר באזור ארבע-ממדי סגור חורגת מגבול קריטי מסוים, הוא מתמוטט ויוצר חור שחור. תכונות גשמיותחומרים כאלה צריכים להיות שונים מאוד מאלה שאנו רואים בעולמנו. עם זאת, זה די הגיוני להניח שכוח המשיכה ישלוט בעולם הזה: אם חלקיקי החומר של העולם הארבע-ממדי מעוותים את המרחב-זמן בהתאם למשוואות היחסות הכללית, הם נמשכים זה לזה ומולידים שחור. חורים."

עבור חומר במרחב ארבע-ממדי הכלוא בתוך האופק של חור שחור, אזור תלת-ממדי זה יהיה העולם היחיד, מנותק לחלוטין מהסביבה הארבע-ממדית. ניתן להניח שחומר הנמשך אל האופק יתנהג לפי כל חוקי התלת מימד. המודל החדש מבטל את השערת האינפלציה הקוסמולוגית הנפוצה שהוצעה בתחילת שנות ה-80, שעדיין מתמודדת עם בעיות חמורות לא פתורות. בפרט, אופיו של השדה הפיזי שאמור להפעיל את ההתפשטות המואצת של היקום הנולד אינו ברור.

הקפצה של העולם

אבל אם נתעלם מהשפעות קוונטיות, האופק של חור תלת מימדי יציב, בעוד היקום שלנו מתרחב. גם המודל של מאן מסביר זאת: "קריסת כבידה במרחב הארבע-ממדי לא רק תוליד חור שחור, אלא גם תגרום לחומר שלא נפל לתוכו "להתאושש" ולהתפזר לכל הכיוונים. משהו דומה קורה במהלך פיצוצי סופרנובה, שמפזרים את הפגזים שלהם ברחבי החלל שמסביב. חישובים מראים שחומר זה יכול ליצור שכבה תלת מימדית סביב האופק, שתתרחב ותמשוך את האופק עצמו יחד איתו. כתוצאה מכך, יקום חלל מתרחב אחד של היקום שלנו. ניתן לשנות את המודל בצורה כזו שהוא חוזה את האצה של ההתפשטות הזו, מה שהקוסמולוגיה הסטנדרטית מסבירה במונחים של אנרגיה אפלה."

המודל החדש מאפשר ניסויים ניסויים. השפעת הכבידה של ארבעה מימדים על היקום שלנו אמורה לגרום לתנודות מסוימות בקרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל, שניתן לחזות את הספקטרום שלהן.

העולם לא חייב לך כלום - הוא היה כאן לפניך.
- מרק טווין

קורא שואל:

מדוע היקום לא קרס לחור שחור מיד לאחר המפץ הגדול?

למען האמת, חשבתי על זה הרבה בעצמי. וזה למה.

היקום מלא בהכל בימים אלה. הגלקסיה שלנו היא תערובת מגניבה של כוכבים, כוכבי לכת, גז, אבק, כמות גדולהחומר אפל, המכיל בין 200 ל-400 מיליארד כוכבים, במשקל פי טריליון יותר מכל מערכת השמש שלנו. אבל הגלקסיה שלנו היא רק אחת מטריליוני גלקסיות בגודל דומה הפזורות ברחבי היקום.

אבל לא משנה כמה היקום מסיבי, המסה הזו מפוזרת על פני מרחב עצום. החלק הנצפה של היקום הוא בקוטר של כ-92 מיליארד שנות אור, אשר בהשוואה לגבולות שלנו מערכת השמשקשה לדמיין. מסלולם של פלוטו וחפצים אחרים בחגורת קויפר הוא 0.06% משנת אור. לכן, יש לנו מסה עצומה המפוזרת על פני נפח עצום. והייתי רוצה לדמיין איך הם מתייחסים זה לזה.

ובכן, השמש שלנו שוקלת 2*10^30 ק"ג. זה אומר שהוא מכיל 10^57 פרוטונים וניוטרונים. אם ניקח בחשבון שהיקום מכיל 10^24 מסות שמש של חומר רגיל, מתברר שכדור ברדיוס של 46 מיליארד קילומטרים מכיל 10^81 נוקלונים. אם סופרים צפיפות ממוצעתביקום, זה יהיה שווה לשני פרוטונים בערך לכל מטר מרובע. וזה מינורי!

לכן, אם אתה מתחיל לחשוב על בשלב מוקדםהתפתחות היקום שלנו, כאשר כל החומר והאנרגיה נאספו לתוך מאוד מקום קטן, שהייתה קטנה בהרבה אפילו ממערכת השמש שלנו, עלינו לחשוב על השאלה של הקורא שלנו.

כשהיקום היה בן פיקושניה אחת אחרי המפץ הגדול, כל החומר הזה שהכיל כעת את הכוכבים, הגלקסיות, צבירי העל של היקום היה בנפח קטן יותר מכדור עם רדיוס השווה לרדיוס הנוכחי של מסלול כדור הארץ.

ובלי לגרוע מהתיאוריה שהיקום כולו מתאים לנפח כה קטן, נניח שאנו יודעים על חורים שחורים שכבר קיימים, ואשר המסה שלהם קטנה בהרבה ממסת היקום, וגודלם גדול בהרבה מ. הכרך הנזכר!

לפניכם הגלקסיה האליפטית הענקית Messier 87, הגלקסיה הגדולה ביותר במרחק של 50 מיליון שנות אור מאיתנו, שהיא 0.1% מרדיוס היקום הנצפה. במרכזו יש חור שחור סופר מסיבי עם מסה של 3.5 מיליארד שמש. זה אומר שיש לו רדיוס שוורצשילד - או הרדיוס שממנו האור לא יכול לברוח. מדובר ב-10 מיליארד קילומטרים בערך, שהם פי 70 מהמרחק מכדור הארץ לשמש.

אז אם מסה כזו בנפח כה קטן מובילה להופעת חור שחור, מדוע מסה גדולה פי 10^14, בהיותה בנפח קטן עוד יותר, לא הובילה להופעת חור שחור, אלא, ברור, הוביל להופעתו של היקום שלנו?

אז היא כמעט לא הביאה את זה. היקום מתרחב עם הזמן, וקצב ההתפשטות שלו פוחת ככל שאנו נעים לעתיד. בעבר הרחוק, בפיקוסניות הראשונות של היקום, קצב ההתפשטות שלו היה הרבה הרבה יותר גדול ממה שהוא עכשיו. כמה עוד?

כיום, היקום מתרחב בקצב של כ-67 ק"מ לשנייה/ממ"ק, כלומר על כל מגה-פארסק (כ-3.26 מיליון שנות אור) שמשהו רחוק מאיתנו, המרחק בינינו לבין אותו עצם מתרחב בקצב. של 67 ק"מ לשנייה. כאשר גיל היקום היה פיקושניות, מהירות זו הייתה קרובה יותר ל-10^46 קמ"ש/MPc. כדי לשים את זה בפרספקטיבה, קצב ההתפשטות הזה היום יביא לכך שכל אטום של חומר על פני כדור הארץ יתרחק מהאחרים כל כך מהר שהמרחק ביניהם יגדל בשנה אור בכל שנייה!

הרחבה זו מתארת ​​את המשוואה לעיל. בצד אחד שלו יש H, קצב ההתפשטות של האבל של היקום, ומצד שני יש הרבה דברים. אבל הדבר החשוב ביותר הוא המשתנה ρ, המציין את צפיפות האנרגיה של היקום. אם H ו- ρ מאוזנים בצורה מושלמת, היקום יכול לשרוד זמן רב מאוד. אבל אפילו חוסר איזון קל יוביל לאחת משתי תוצאות מאוד לא נעימות.

אם קצב ההתפשטות של היקום היה קצת פחות, ביחס לכמות המסה והאנרגיה שלו, אז היקום שלנו היה עומד בפני קריסה כמעט מיידית. הטרנספורמציה לחור שחור או ביג קראנץ' תתרחש מהר מאוד. ואם קצב ההתפשטות היה רק ​​קצת יותר גבוה, האטומים לא היו מתחברים זה לזה כלל. הכל יתפשט כל כך מהר שכל חלקיק תת-אטומי יתקיים ביקום שלו, בלי שום דבר לקיים איתו אינטראקציה.

עד כמה היו צריכים להיות קצבי ההרחבה כדי להשיג תוצאות שונות כל כך? על 10%? ב-1%? ב-0.1%?

קח את זה גבוה יותר. יידרש הבדל של פחות מ-1/10^24 כדי לתת ליקום זמן להימשך 10 מיליארד שנים. כלומר, אפילו הבדל של 0.00000001% מקצב ההתפשטות שהתרחש יספיק כדי שהיקום יתמוטט בחזרה תוך פחות משנייה אם ההתפשטות הייתה איטית מדי. או למנוע היווצרות אפילו של אטום הליום אחד אם ההתפשטות הייתה גדולה מדי.

אבל אין לנו כל זה: יש לנו יקום שהוא דוגמה לאיזון כמעט מושלם בין התפשטות וצפיפות החומר והקרינה, והוא שונה מצב נוכחימאיזון אידיאלי רק על ידי קבוע קוסמולוגי קטן מאוד שאינו אפס. אנחנו לא יכולים להסביר למה זה קיים עדיין, אבל אולי תיהנו ללמוד את מה שלא מסביר את זה!

פדור דרגצ'וב

חור שחור עם המסה של היקום?

כשהשוואה בין הפיזיקה של חורים שחורים לבין תהליכי המפץ הגדול, הייתה לי שאלה. אני רוצה להסתכל על זה בפירוט באחד החלקים הבאים של המאמר החדש שלי. "כדור הארץ והיקום" , אותו החל לפרסם ב-LiveJournal:

חֵלֶק 1

מההשוואה לעיל, מתברר שבשניות הראשונות שלאחר המפץ הגדול, החומר המרכיב את החלק הנצפה של היקום היה בתנאים דומים לאלו המתוארים בתיאוריית החורים השחורים!

אבל אני לא שולל שלא לקחתי משהו בחשבון כשניסחתי את השאלה. אני מחכה לתגובות...

חורים שחורים

"אם ההשפעות תיאוריה מיוחדתתורת היחסות הופכת לברורה ביותר במהירויות תנועה גבוהות של גופים, ואז תורת היחסות הכללית מגיעה לזירה כאשר לגופים יש מאוד מסה גדולהולגרום לעקמומיות חזקה של מרחב וזמן.
...תגלית שמצא במהלך מלחמת העולם הראשונה האסטרונום הגרמני קרל שוורצשילד, כאשר הוא, בעודו בחזית הרוסית ב-1916, בין חישוב מסלולי פגזי ארטילריה, התוודע להישגיו של איינשטיין בתחום הכבידה. מדהים שרק חודשים ספורים לאחר שאיינשטיין שם את הליטוש האחרון על בד היחסות הכללית, הצליח שוורצשילד להשתמש בתיאוריה הזו כדי לקבל תמונה מלאה ומדויקת של האופן שבו המרחב והזמן מתכופפים בקרבת כוכב כדורי לחלוטין. שוורצשילד שלח את תוצאותיו מהחזית הרוסית לאיינשטיין, שעל פי הוראתו הציג אותן לאקדמיה הפרוסית.
בנוסף לאישור והחישוב המדויק מבחינה מתמטית של העקמומיות, שהראינו באופן סכמטי באיור. 3.5, עבודתו של שוורצשילד - הידועה כיום כ"פתרון שוורצשילד" - חשפה תוצאה בולטת אחת של תורת היחסות הכללית. הוכח שאם מסת הכוכב מרוכזת בתוך אזור כדורי קטן מספיק (כאשר היחס בין מסת הכוכב לרדיוס שלו אינו עולה על ערך קריטי מסוים), אז העקמומיות הנובעת של מרחב-זמן תהיה כה משמעותית, אף חפץ (כולל אור) שמתקרב מספיק לכוכב, לא יוכל להימלט ממלכודת הכבידה הזו. מכיוון שאפילו אור אינו יכול לברוח מ"כוכבים דחוסים" כאלה, הם נקראו במקור כוכבים כהים, או קפואים. (שם זה שייך למדענים הסובייטים יא. ב. זלדוביץ ואי. ד. נוביקוב. - עורך) שם קליט יותר הוצע שנים מאוחר יותר על ידי ג'ון ווילר, שכינה אותם חורים שחורים - שחורים כי הם אינם יכולים לפלוט אור, וחורים, כי כל חפץ שמתקרב אליהם במרחק קצר מדי לעולם לא חוזר בחזרה. שם זה מבוסס היטב ומבוסס. הפתרון של שוורצשילד מודגם באיור. למרות שידוע כי חורים שחורים הם "זללנים", גופים שעוברים לידם במרחק בטוח מוסטים באותו האופן שבו היו מוסטים על ידי כוכב רגיל, וממשיכים בדרכם. אבל גופים מכל טבע שמתקרבים מדי, קרובים יותר מהמרחק הנקרא אופק האירועים של חור שחור, נידונים - הם ייפלו בהתמדה לכיוון מרכז החור השחור, חשופים לעיוותים כבידה יותר ויותר אינטנסיביים ובסופו של דבר הרסניים..

החור השחור מכופף את מבנה המרחב-זמן שמסביב כל כך חזק שכל עצם שחוצה את "אופק האירועים" שלו - המסומן על ידי עיגול שחור - לא יכול להימלט ממלכודת הכבידה שלו. אף אחד לא יודע בדיוק מה קורה במעמקי החורים השחורים.

אם, למשל, תשחו תחילה לכיוון מרכז חור שחור, תחושו תחושת אי נוחות גוברת כאשר תחצו את אופק האירועים. כוח הכבידה של החור השחור יגדל באופן משמעותי עד שהוא ימשוך את הרגליים שלך הרבה יותר חזק מהראש שלך (אחרי הכל, הרגליים שלך יהיו קצת יותר קרובות למרכז החור השחור מהראש שלך), עד כדי כך ש זה יכול במהירות לקרוע את הגוף שלך לגזרים.
אם אתה זהיר כשאתה מסתובב סביב חור שחור ותזהר לא לחצות את אופק האירועים שלו, אתה יכול להשתמש בחור השחור כדי לבצע טריק יוצא דופן. תארו לעצמכם, למשל, שאתם מגלים חור שחור בעל מסה פי 1000 מהמסה של השמש, ואתם מטה, בדיוק כשג'ורג' ירד לשמש, לגובה של 3 ס"מ מעל אופק האירועים. כפי שכבר ציינו, שדות כבידה גורמים לזמן להתעוות, כלומר המסע בזמן שלך יאט. למעשה, בגלל שלחורים שחורים יש שדות כבידה חזקים כל כך, הזמן שלך יאט מאוד. השעון שלך יפעל לאט בערך פי עשרת אלפים מהשעון של חברך בכדור הארץ. אם אתה תלוי מעל אופק האירועים של חור שחור במצב זה למשך שנה אחת, ואז תטפס על הכבל בחזרה לזה שמחכה לך בקרבת מקום חלליתלמסע קצר אך נעים הביתה, אז עם שובך תגלה שחלפו יותר מעשרת אלפים שנה מאז עזיבתך. אתה יכול להשתמש בחור שחור כמעין מכונת זמן שתאפשר לך לנסוע לעתיד הרחוק של כדור הארץ.
כדי להרגיש את גודל קנה המידה של תופעות אלה, נציין כי כוכב בעל מסה מסה שווההשמש תהפוך לחור שחור אם הרדיוס שלה אינו הערך הנצפה (כ-700,000 ק"מ), אלא רק כ-3 ק"מ. דמיינו לעצמכם את כל השמש שלנו התכווצה לגודל של מנהטן. כפית מהחומר של שמש דחוסה כזו תשקול כמו הר האוורסט. כדי להפוך את כדור הארץ שלנו לחור שחור, עלינו לדחוס אותו לכדור עם רדיוס של פחות מסנטימטר. במשך זמן רב, פיזיקאים היו סקפטיים לגבי האפשרות של מצבים קיצוניים כאלה של החומר, רבים מהם האמינו שחורים שחורים הם רק פרי דמיונם הפרוע של תיאורטיקנים עמוסי יתר.
עם זאת, במהלך העשור האחרון הצטברו לא מעט נתונים תצפיתיים המאשרים את קיומם של חורים שחורים. כמובן, מכיוון שהם שחורים, לא ניתן לצפות בהם ישירות על ידי בדיקת השמיים בטלסקופ. במקום זאת, אסטרונומים מנסים לזהות חורים שחורים על ידי התנהגות חריגה של כוכבים פולטי אור רגילים הממוקמים ליד אופקי האירועים של החור השחור. לדוגמה, כאשר חלקיקי אבק וגז מהשכבות החיצוניות של כוכבים רגילים הסמוכים לחור שחור ממהרים לעבר אופק האירועים של החור השחור, הם מאיצים כמעט למהירות האור. במהירויות כאלה, החיכוך במערבולת הגז-אבק של החומר הנשאף מוביל לשחרור כמות עצומה של חום, הגורם לתערובת הגז-אבק להאיר, לפלוט אור נראה רגיל וקרני רנטגן. מכיוון שקרינה זו נוצרת מחוץ לאופק האירועים, היא יכולה להימנע מנפילה לתוך החור השחור. קרינה זו מתפשטת בחלל וניתן לצפות בה ולחקור אותה ישירות. תורת היחסות הכללית חוזה את המאפיינים של קרני רנטגן כאלה בפירוט; התבוננות במאפיינים החזויים הללו מספקת עדות חזקה, אם כי עקיפה, לקיומם של חורים שחורים. לדוגמה, ישנן עדויות הולכות וגדלות לכך שחור שחור מאסיבי מאוד, פי שניים וחצי ממסת השמש שלנו, נמצא במרכז הגלקסיה שלנו. אבל אפילו החורים השחורים הרעבים האלה מחווירים בהשוואה לאלה שאסטרונומים מאמינים שהם ממוקמים במרכזי הקוואזרים הבהירים להפליא הפזורים ברחבי הקוסמוס. אלו הם חורים שחורים שהמסות שלהם גדולות פי מיליארדי ממסת השמש.
שוורצשילד נפטר חודשים ספורים לאחר שמצא את הפתרון שלו. הוא מת מ מחלת עור, שבה הוא נדבק בחזית הרוסית. הוא היה בן 42. המפגש הקצר והטרגי שלו עם תורת הכבידה של איינשטיין חשף את אחד ההיבטים הבולטים והמסתוריים ביותר של החיים ביקום". (" ", עמוד 31),

"המציאות התיאורטית המכונה "חור שחור", שהשוואה עם גיהנום מציעה את עצמה, נותרה בעצם תיאורטית, למרות שהאסטרונומים יצרו תמונה הרמונית למדי, במבט ראשון, של הפיזיקה של חורים שחורים, הסיבות להיווצרותם והן. ההשפעה על רצף המרחב-זמן.

בעיקרו של דבר, חור שחוראסטרונומים אינם מכנים שום עצם פיזי, אלא אזור במרחב-זמן שבו המשיכה הכבידה כל כך חזקה ששום דבר, אפילו לא אור, יכול לחדור החוצה - מעבר ל"אופק האירועים".

התיאוריה השלטת היא שחורים שחורים נוצרים במקומם של כוכבים מאסיביים שרופים: כאשר כוכב מתמוטט, צפיפות החומר הופכת כל כך גבוהה עד שמשיכה הכבידה באזור זה מתחילה למשוך פנימה את החומר הסובב".. (« » ).

"כידוע, עד כה רק שני סוגים של חורים שחורים תועדו בתצפיות - מסה כוכבית(נוצר כתוצאה מהתמוטטות כבידה של כוכבים מסיביים) וסופר מסיבי(שלפי אחת ההשערות הן תוצאה של מיזוג של הראשונים). אין השערההיווצרותם של חורים שחורים סופר מסיביים אינה מבוססת יותר או פחות, כולל.השערת מיזוג, שהוכחתה דורשת לפחות אחת ידועה מהימנהחור שחור מסה בינונית."(אוגוסט 2008)

חורים שחורים הם תוצאה של קריסת כבידה של כוכבים מסיביים. הם מתוארים בפירוט מספיק בספרות המדעית והפופולרית.

מנגנון ה"מלכודת" הוא עקמומיות המרחב-זמן בהשפעת כוחות הכבידה המפלצתית. "והעקמומיות של המרחב הזמן תהיה כה משמעותית ששום עצם (כולל אור) שמתקרב מספיק לכוכב לא יוכל להימלט מהמלכודת הגרביטציונית הזו".

המפץ הגדול מנקודת המבט של התיאוריה של "חורים שחורים"

"לפי כולם תיאוריות קיימותהמפץ הגדול, בהתחלה היקום היה נקודה בחלל של נפח קטן לאין שיעור, שהיה לה צפיפות וטמפרטורה גדולים לאין שיעור."("הבעיות הגדולות של המפץ הגדול. הסינגולריות הבעייתית").

"למרות הצלחתה הגדולה, האופקים של תיאוריית המפץ הגדול רחוקים מלהיות נטולי עננים...

לא ברור מדוע, באותו מרחק, לגלקסיות ספירליות תמיד יש "הסטות לאדום" גדולות יותר מגלקסיות אליפטיות(לפרטים נוספים, ראה הספר V.P. Chechev, Ya.M. Kramarovsky "רדיואקטיביות והתפתחות היקום." מ., "נאוקה", 1978).

לבסוף, לאחרונה התברר כי מהירויות של גלקסיות ביחס לרקע CMBקטן מאוד.הם נמדדים לא אלפי ועשרות אלפי קילומטרים בשנייה, כפועל יוצא מהתיאוריה של היקום המתרחב, אלארק מאות קילומטרים בשנייה . מסתבר שהגלקסיות נמצאות למעשה במנוחה יחסית ל רקע שרידיקום, אשר ממספר סיבות יכול להיחשב כמסגרת הייחוס המוחלטת של הגלקסיה(לפרטים נוספים, ראה ספר "פיתוח שיטות של מחקר אסטרונומי" (א.א. אפימוב. "אסטרונומיה ועיקרון היחסות"). מ., "מדע", 1979, עמ' 545).

איך להתגבר על הקשיים האלה עדיין לא ברור".(סיגל F.Yu. "החומר של היקום." - מ.; "כימיה", 1982, סעיף "אילן יוחסין יסודות כימיים", פרק "סינתזה של יסודות", עמ' 166-167).

אחרי המפץ הגדול

"המפץ הגדול הוא ירידה מהירה בצפיפות, בטמפרטורה ובלחץ העצומים בתחילה של החומר המרוכז בנפח קטן מאוד של היקום. ברגע הראשון, ליקום היו צפיפות וטמפרטורה עצומים. בשנייה הראשונה לקיומו, הייתה לעולם צפיפות של ~ 10 5 גרם/ס"מ 3 וטמפרטורה של 10 10 K. הטמפרטורה הנוכחית של הכוכב הקרוב אלינו ביותר, השמש, קטנה פי אלף.
בְּמַהֲלָך תקופה קצרהזמן לאחר המפץ הגדול - רק 10 -36 שניות - היקום הזעיר התמלא בחלקיקים בסיסיים. חלקיקים אלה, בניגוד לנוקלידים, פרוטונים וניוטרונים, אינם ניתנים לחלוקה. פרוטונים וניטרונים, הבסיס של החומר הגרעיני, מורכבים מהם למעשה. אלה הם פרמיונים בסיסיים המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות אינטראקציה בסיסית אחת באותה תקופה בהתפתחות היקום. כיצד התרחשה האינטראקציה הזו? דרך חלקיקים. הם נקראים בוזונים. ישנם ארבעה מהם: פוטון (קוונטי גמא), גלואון ושני בוזונים - W ו-Z. והחלקיקים הבסיסיים עצמם, כלומר. פרמיונים הם שישה סוגים של קווארקים ושישה סוגים של לפטונים.
קבוצה זו של חלקיקים של 12 פרמיונים המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות 4 בוזונים היא, למעשה, העובר של היקום...

בינתיים, בואו נחזור ליקום המתרחב של הרגעים הראשונים לקיומו.
הפיזיקה המודרנית מאמינה שחלקיקים - פרמיונים ובוזונים, שהופיעו מיד לאחר המפץ הגדול, אינם ניתנים לחלוקה. "מאמין" אומר שעדיין אין מידע עליהם מבנה פנימי. פרמיונים ובוזונים היו חסרי מסה אי שם עד 10 -10 שניות מהתפתחות היקום והיוו את מה שנקרא "מרק רותח" של היקום הזעיר. הם קיימו אינטראקציה זה עם זה על פי החוק היחיד של האיחוד הגדול.
ב-10 -36 שניות קרס עידן האיחוד הגדול. אופי האינטראקציה בין החלקיקים החלה להשתנות. התמזגות של חלקיקים והיווצרות של חלקיקים כבדים יותר הייתה בלתי אפשרית בעוד ביקום הייתה טמפרטורה גבוהה.
התקררות היקום נמשכה מיקרושנייה אחת» . (M.I. Panasyuk "נודדי היקום או הד המפץ הגדול").

שְׁאֵלָה

התחשבות במפץ הגדול מנקודת המבט של תורת החורים השחורים מביאה לתוצאות מדהימות. כך, " אסטרונומים קוראים לחור שחור אזור במרחב-זמן שבו כוח המשיכה כל כך חזק ששום דבר, אפילו לא אור, לא יכול לברוח».

אבל האזור שבו החומר מרוכז ברגעים הראשונים שלאחר המפץ הגדול צריך להיות בדיוק זה. החורים השחורים הגדולים ("הסופר-מאסיביים") (במרכז הגלקסיות ובקוואזרים) מגיעים למסה גדולה פי מיליוני מהשמש. אבל המסה של היקום הנצפה, לפי הערכות מודרניות, עולה על מסת השמש ביותר מפי 10^20 - זה 100 קווינטיליון (קווינטיליון אחד = מיליארד מיליארד)! אני לא אדם רגשי, אבל, בכל זאת, אני לא יודע כמה סימני קריאה לשים כאן.

וכל המסה העצומה הזו לא יצרה כוח כבידה כל כך מפלצתי עד שהעקמומיות של המרחב-זמן לא גרמה לאפקט "החור השחור"? לחומר שמתרחב במהלך המפץ הגדול, הזמן היה צריך להאט כל כך עד שהוא עדיין לא היה בורח מ"אופק האירועים". זה יבטל לחלוטין את "התפזרות" נוספת של החומר, אשר מרכיב לאחר מכן את החלק הנצפה של היקום. יש סתירה לוגית - או שהמדע לא מבין את התהליכים של המפץ הגדול, או שהתיאוריה של חורים שחורים אינה נכונה!

פ.דרגצ'ב "חור שחור עם המסה של היקום?" חלק 2