Para los científicos modernos, un agujero negro es uno de los fenómenos más misteriosos de nuestro universo. El estudio de tales objetos es difícil, no es posible probarlos "por experiencia". La masa, la densidad de la sustancia de un agujero negro, los procesos de formación de este objeto, las dimensiones, todo esto despierta interés entre los especialistas y, en ocasiones, desconcierto. Consideremos el tema con más detalle. Primero, analicemos qué es tal objeto.
Información general
Una característica sorprendente de un objeto cósmico es la combinación de un radio pequeño, una alta densidad de materia de agujero negro y una masa increíblemente grande. Todas las propiedades físicas actualmente conocidas de tal objeto parecen extrañas a los científicos, a menudo inexplicables. Incluso los astrofísicos más experimentados todavía están asombrados por las peculiaridades de tales fenómenos. La característica principal que permite a los científicos identificar un agujero negro es el horizonte de eventos, es decir, el límite debido al cualnada vuelve, incluida la luz. Si una zona está permanentemente separada, el límite de separación se designa como el horizonte de eventos. Con la separación temporal se fija la presencia de un horizonte visible. A veces, temporal es un concepto muy amplio, es decir, la región puede estar separada por un período que excede la edad actual del universo. Si hay un horizonte visible que existe durante mucho tiempo, es difícil distinguirlo del horizonte de sucesos.
En muchos sentidos, las propiedades de un agujero negro, la densidad de la sustancia que lo forma, se deben a otras cualidades físicas que operan en las leyes de nuestro mundo. El horizonte de eventos de un agujero negro esféricamente simétrico es una esfera cuyo diámetro está determinado por su masa. Cuanta más masa se tira hacia adentro, más grande es el agujero. Y, sin embargo, sigue siendo sorprendentemente pequeño en el contexto de las estrellas, ya que la presión gravitatoria comprime todo lo que hay dentro. Si imaginamos un agujero cuya masa corresponde a nuestro planeta, entonces el radio de dicho objeto no excederá de unos pocos milímetros, es decir, será diez mil millones menos que la Tierra. El radio lleva el nombre de Schwarzschild, el científico que dedujo por primera vez los agujeros negros como solución a la teoría general de la relatividad de Einstein.
¿Y dentro?
Habiéndose metido en un objeto de este tipo, es poco probable que una persona note una gran densidad en sí misma. Las propiedades de un agujero negro no se comprenden bien para estar seguros de lo que sucederá, pero los científicos creen que no se puede revelar nada especial al cruzar el horizonte. Esto se explica por el equivalente de Einsteinprincipio que explica por qué el campo que forma la curvatura del horizonte y la aceleración inherente al plano no difieren para el observador. Al seguir el proceso de cruce desde la distancia, puede ver que el objeto comienza a disminuir la velocidad cerca del horizonte, como si el tiempo pasara lentamente en este lugar. Después de un tiempo, el objeto cruzará el horizonte y caerá en el radio de Schwarzschild.
La densidad de la materia en un agujero negro, la masa de un objeto, sus dimensiones y fuerzas de marea, y el campo gravitatorio están estrechamente relacionados. Cuanto mayor sea el radio, menor será la densidad. El radio aumenta con el peso. Las fuerzas de marea son inversamente proporcionales al peso al cuadrado, es decir, a medida que aumentan las dimensiones y disminuye la densidad, las fuerzas de marea del objeto disminuyen. Será posible superar el horizonte antes de notar este hecho si la masa del objeto es muy grande. En los primeros días de la relatividad general, se creía que había una singularidad en el horizonte, pero resultó que no era así.
Acerca de la densidad
Como han demostrado los estudios, la densidad de un agujero negro, dependiendo de la masa, puede ser mayor o menor. Para diferentes objetos, este indicador varía, pero siempre disminuye al aumentar el radio. Pueden aparecer agujeros supermasivos, que se forman de forma extensiva debido a la acumulación de material. En promedio, la densidad de tales objetos, cuya masa corresponde a la masa total de varios miles de millones de luminarias en nuestro sistema, es menor que la densidad del agua. A veces es comparable al nivel de densidad del gas. La fuerza de marea de este objeto ya se activa después de que el observador cruza el horizonte.eventos. El explorador hipotético no sufriría daños al acercarse al horizonte y caería muchos miles de kilómetros si encontrara protección contra el plasma del disco. Si el observador no mira hacia atrás, no notará que se ha cruzado el horizonte, y si gira la cabeza, probablemente verá rayos de luz congelados en el horizonte. El tiempo para el observador fluirá muy lentamente, podrá rastrear eventos cerca del agujero hasta el momento de la muerte, ya sea ella o el Universo.
Para determinar la densidad de un agujero negro supermasivo, necesitas conocer su masa. Encuentre el valor de esta cantidad y el volumen de Schwarzschild inherente al objeto espacial. En promedio, tal indicador, según los astrofísicos, es excepcionalmente pequeño. En un porcentaje impresionante de casos, es menor que el nivel de densidad del aire. El fenómeno se explica de la siguiente manera. El radio de Schwarzschild está directamente relacionado con el peso, mientras que la densidad está inversamente relacionada con el volumen y, por lo tanto, el radio de Schwarzschild. El volumen está directamente relacionado con el radio al cubo. La masa aumenta linealmente. En consecuencia, el volumen crece más rápido que el peso, y la densidad promedio se vuelve más pequeña cuanto mayor es el radio del objeto bajo estudio.
Curioso por saber
La fuerza de marea inherente a un agujero es un gradiente de la fuerza de la gravedad, que es bastante grande en el horizonte, por lo que incluso los fotones no pueden escapar de aquí. Al mismo tiempo, el aumento del parámetro se produce con bastante suavidad, lo que hace posible que el observador supere el horizonte sin riesgo para sí mismo.
Estudios de la densidad de un agujero negro enel centro del objeto es todavía relativamente limitado. Los astrofísicos han establecido que cuanto más cerca esté la singularidad central, mayor será el nivel de densidad. El mecanismo de cálculo mencionado anteriormente le permite tener una idea muy promedio de lo que está sucediendo.
Los científicos tienen ideas muy limitadas sobre lo que sucede en el agujero, su estructura. Según los astrofísicos, la distribución de la densidad en un agujero no es muy significativa para un observador externo, al menos en el nivel actual. Especificación mucho más informativa de gravedad, peso. Cuanto más grande es la masa, más fuerte está el centro, el horizonte, separados unos de otros. También existen tales suposiciones: justo más allá del horizonte, la materia está ausente en principio, solo se puede detectar en las profundidades del objeto.
¿Se conocen números?
Los científicos han estado pensando en la densidad de un agujero negro durante mucho tiempo. Se llevaron a cabo ciertos estudios, se hicieron intentos de cálculo. Aquí está uno de ellos.
La masa solar es 210^30 kg. Se puede formar un agujero en el sitio de un objeto que es varias veces más grande que el Sol. La densidad del agujero más ligero se estima en un promedio de 10^18 kg/m3. Este es un orden de magnitud superior a la densidad del núcleo de un átomo. Aproximadamente la misma diferencia del nivel de densidad promedio característico de una estrella de neutrones.
Es posible la existencia de agujeros ultraligeros, cuyas dimensiones corresponden a partículas subnucleares. Para tales objetos, el índice de densidad será prohibitivamente grande.
Si nuestro planeta se convierte en un agujero, su densidad será de aproximadamente 210^30 kg/m3. Sin embargo, los científicos no han podidorevelar los procesos como resultado de los cuales nuestra casa espacial puede transformarse en un agujero negro.
Acerca de los números con más detalle
La densidad del agujero negro en el centro de la Vía Láctea se estima en 1,1 millones de kg/m3. La masa de este objeto corresponde a 4 millones de masas solares. El radio del agujero se estima en 12 millones de km. La densidad indicada del agujero negro en el centro de la Vía Láctea da una idea de los parámetros físicos de los agujeros supermasivos.
Si el peso de algún objeto es de 10^38 kg, es decir, se estima en aproximadamente 100 millones de soles, entonces la densidad de un objeto astronómico corresponderá al nivel de densidad del granito que se encuentra en nuestro planeta.
Entre todos los agujeros conocidos por los astrofísicos modernos, uno de los agujeros más pesados se encontró en el quásar OJ 287. Su peso corresponde a 18 mil millones de luminarias de nuestro sistema. ¿Cuál es la densidad de un agujero negro, los científicos han calculado sin mucha dificultad. El valor resultó ser extremadamente pequeño. Solo pesa 60 g/m3. A modo de comparación: el aire atmosférico de nuestro planeta tiene una densidad de 1,29 mg/m3.
¿De dónde vienen los agujeros?
Los científicos no solo realizaron investigaciones para determinar la densidad de un agujero negro en comparación con la estrella de nuestro sistema u otros cuerpos cósmicos, sino que también trataron de determinar de dónde provienen los agujeros, cuáles son los mecanismos para la formación de tal objetos misteriosos. Ahora hay una idea de cuatro formas para la aparición de agujeros. La opción más comprensible es el colapso de una estrella. Cuando se vuelve grande, se completa la síntesis en el núcleo,la presión desaparece, la materia cae al centro de gravedad, por lo que aparece un agujero. A medida que te acercas al centro, la densidad aumenta. Tarde o temprano, el indicador se vuelve tan significativo que los objetos externos no pueden superar los efectos de la gravedad. A partir de este momento, aparece un nuevo agujero. Este tipo es más común que otros y se llama agujeros de masa solar.
Otro tipo de agujero bastante común es el supermasivo. Estos se observan más a menudo en los centros galácticos. La masa del objeto en comparación con el agujero de masa solar descrito anteriormente es miles de millones de veces mayor. Los científicos aún no han establecido los procesos de manifestación de tales objetos. Se supone que primero se forma un agujero de acuerdo con el mecanismo descrito anteriormente, luego se absorben las estrellas vecinas, lo que conduce al crecimiento. Esto es posible si la zona de la galaxia está densamente poblada. La absorción de materia ocurre más rápido de lo que puede explicar el esquema anterior, y los científicos aún no pueden adivinar cómo procede la absorción.
Supuestos e ideas
Un tema muy difícil para los astrofísicos son los agujeros primordiales. Tales, probablemente, aparecen de cualquier masa. Pueden formarse en grandes fluctuaciones. Probablemente, la aparición de tales agujeros tuvo lugar en el Universo primitivo. Hasta ahora, los estudios dedicados a las cualidades, las características (incluida la densidad) de los agujeros negros y los procesos de su aparición no nos permiten determinar un modelo que reproduzca con precisión el proceso de aparición de un agujero primario. Los modelos actualmente conocidos son predominantemente tales que, si se implementaran en la realidad,habría demasiados agujeros.
Suponga que el Gran Colisionador de Hadrones puede convertirse en una fuente de formación de un agujero, cuya masa corresponde al bosón de Higgs. En consecuencia, la densidad del agujero negro será muy grande. Si se confirma tal teoría, puede considerarse evidencia indirecta de la presencia de dimensiones adicionales. En la actualidad, esta conclusión especulativa aún no ha sido confirmada.
Radiación de un agujero
La emisión de un agujero se explica por los efectos cuánticos de la materia. El espacio es dinámico, por lo que las partículas aquí son completamente diferentes a lo que estamos acostumbrados. Cerca del agujero, no solo se distorsiona el tiempo; la comprensión de una partícula depende en gran medida de quien la observa. Si alguien cae en un agujero, le parece que se sumerge en un vacío, y para un observador distante, parece una zona llena de partículas. El efecto se explica por el estiramiento del tiempo y el espacio. La radiación del agujero fue identificada por primera vez por Hawking, cuyo nombre se le dio al fenómeno. La radiación tiene una temperatura que está inversamente relacionada con la masa. Cuanto menor sea el peso de un objeto astronómico, mayor será la temperatura (así como la densidad de un agujero negro). Si el agujero es supermasivo o tiene una masa comparable a la de una estrella, la temperatura inherente de su radiación será más baja que el fondo de microondas. Debido a esto, no es posible observarla.
Esta radiación explica la pérdida de datos. Este es el nombre de un fenómeno térmico, que tiene una cualidad distinta: la temperatura. No hay información sobre los procesos de formación de agujeros a través del estudio, pero un objeto que emite tal radiación simultáneamente pierde masa (y por lo tanto crecedensidad del agujero negro) se reduce. El proceso no está determinado por la sustancia a partir de la cual se forma el agujero, no depende de lo que se absorbió más tarde. Los científicos no pueden decir qué se convirtió en la base del agujero. Además, los estudios han demostrado que la radiación es un proceso irreversible, es decir, uno que simplemente no puede existir en la mecánica cuántica. Esto significa que la radiación no se puede reconciliar con la teoría cuántica, y la inconsistencia requiere más trabajo en esta dirección. Si bien los científicos creen que la radiación de Hawking debería contener información, todavía no tenemos los medios, las capacidades para detectarla.
Curiosidad: sobre las estrellas de neutrones
Si hay una supergigante, no significa que tal cuerpo astronómico sea eterno. Con el tiempo, cambia, descarta las capas externas. Las enanas blancas pueden emerger de los remanentes. La segunda opción son las estrellas de neutrones. Los procesos específicos están determinados por la masa nuclear del cuerpo primario. Si se estima dentro de 1.4-3 solar, entonces la destrucción de la supergigante se acompaña de una presión muy alta, debido a que los electrones son, por así decirlo, presionados en los protones. Esto conduce a la formación de neutrones, la emisión de neutrinos. En física, esto se llama gas degenerado de neutrones. Su presión es tal que la estrella no puede contraerse más.
Sin embargo, como han demostrado los estudios, probablemente no todas las estrellas de neutrones aparecieron de esta manera. Algunos de ellos son los restos de grandes que explotaron como una segunda supernova.
Radio del cuerpo de Tommenos que más masa. Para la mayoría, varía entre 10 y 100 km. Se realizaron estudios para determinar las densidades de los agujeros negros, estrellas de neutrones. Para el segundo, como han demostrado las pruebas, el parámetro es relativamente cercano al atómico. Cifras específicas establecidas por astrofísicos: 10^10 g/cm3.
Curioso por saber: teoría y práctica
Las estrellas de neutrones fueron predichas en teoría en los años 60 y 70 del siglo pasado. Los púlsares fueron los primeros en ser descubiertos. Estas son estrellas pequeñas, cuya velocidad de rotación es muy alta, y el campo magnético es realmente grandioso. Se supone que el púlsar hereda estos parámetros de la estrella original. El período de rotación varía de milisegundos a varios segundos. Los primeros púlsares conocidos emitían emisiones de radio periódicas. Hoy en día, se conocen púlsares con radiación de espectro de rayos X, radiación gamma.
El proceso descrito de formación de estrellas de neutrones puede continuar, no hay nada que pueda detenerlo. Si la masa nuclear es más de tres masas solares, entonces el cuerpo puntual es muy compacto, se le llama agujeros. No será posible determinar las propiedades de un agujero negro con una masa superior a la crítica. Si parte de la masa se pierde debido a la radiación de Hawking, el radio disminuirá simultáneamente, por lo que el valor del peso será nuevamente menor que el valor crítico para este objeto.
¿Puede morir un agujero?
Los científicos plantean suposiciones sobre la existencia de procesos debido a la participación de partículas y antipartículas. La fluctuación de los elementos puede hacer que el espacio vacío se caractericenivel de energía cero, que (¡aquí hay una paradoja!) no será igual a cero. Al mismo tiempo, el horizonte de eventos inherente al cuerpo recibirá un espectro de baja energía inherente al cuerpo negro absoluto. Tal radiación causará pérdida de masa. El horizonte se encogerá ligeramente. Supongamos que hay dos pares de una partícula y su antagonista. Hay una aniquilación de una partícula de un par y su antagonista de otro. Como consecuencia, hay fotones que salen volando del agujero. El segundo par de partículas propuestas cae en el agujero, absorbiendo simultáneamente cierta cantidad de masa, energía. Gradualmente, esto conduce a la muerte del agujero negro.
Como conclusión
Según algunos, un agujero negro es una especie de aspiradora cósmica. Un agujero puede tragarse una estrella, incluso puede “comerse” una galaxia. En muchos sentidos, la explicación de las cualidades de un agujero, así como las características de su formación, se pueden encontrar en la teoría de la relatividad. Se sabe por él que el tiempo es continuo, así como el espacio. Esto explica por qué los procesos de compresión no se pueden detener, son ilimitados e ilimitados.
Estos son estos misteriosos agujeros negros, sobre los cuales los astrofísicos se han estado devanando los sesos durante más de una década.
