Che aspetto ha la caduta in un buco nero? Cosa succede se cadi in un buco nero? Teoria dei buchi neri

concetto buco nero noto a tutti - dagli scolari agli anziani, è usato nella letteratura di fantascienza e narrativa, nei media gialli e nelle conferenze scientifiche. Ma non tutti sanno cosa siano esattamente questi buchi.

Dalla storia dei buchi neri

1783 La prima ipotesi per l'esistenza di un tale fenomeno come un buco nero fu avanzata nel 1783 dallo scienziato inglese John Michell. Nella sua teoria, ha combinato due creazioni di Newton: l'ottica e la meccanica. L'idea di Michell era questa: se la luce è un flusso di minuscole particelle, allora, come tutti gli altri corpi, le particelle dovrebbero provare attrazione campo gravitazionale. Si scopre che più massiccia è la stella, più è difficile per la luce resistere alla sua attrazione. 13 anni dopo Michell, l'astronomo e matematico francese Laplace avanzò (molto probabilmente indipendentemente dalla sua controparte britannica) una teoria simile.

1915 Tuttavia, tutte le loro opere sono rimaste non reclamate fino all'inizio del XX secolo. Nel 1915 Albert Einstein pubblicò la Teoria della Relatività Generale e dimostrò che la gravità è una curvatura dello spazio-tempo causata dalla materia e, pochi mesi dopo, l'astronomo e fisico teorico tedesco Karl Schwarzschild la utilizzò per risolvere uno specifico problema astronomico. Ha esplorato la struttura dello spazio-tempo curvo attorno al Sole e ha riscoperto il fenomeno dei buchi neri.

(John Wheeler ha coniato il termine "buchi neri")

1967 Il fisico americano John Wheeler ha delineato uno spazio che può essere accartocciato, come un pezzo di carta, in un punto infinitesimo e ha designato il termine "Black Hole".

1974 Il fisico britannico Stephen Hawking ha dimostrato che i buchi neri, sebbene ingeriscano materia senza ritorno, possono emettere radiazioni e alla fine evaporare. Questo fenomeno è chiamato "radiazione di Hawking".

2013 Le ultime ricerche su pulsar e quasar, così come la scoperta della radiazione cosmica di fondo a microonde, hanno finalmente permesso di descrivere il concetto stesso di buchi neri. Nel 2013, la nuvola di gas G2 si è avvicinata molto al buco nero ed è probabile che venga assorbita da esso, l'osservazione del processo unico offre grandi opportunità per nuove scoperte sulle caratteristiche dei buchi neri.

(Oggetto massiccio Sagittario A*, la sua massa è 4 milioni di volte maggiore del Sole, il che implica un ammasso di stelle e la formazione di un buco nero)

2017. Un gruppo di scienziati della collaborazione multinazionale Event Horizon Telescope, che collega otto telescopi con punti diversi continenti della Terra, ha effettuato osservazioni di un buco nero, che è un oggetto supermassiccio e si trova nella galassia M87, la costellazione della Vergine. La massa dell'oggetto è di 6,5 miliardi (!) di masse solari, gigantesche volte più grande dell'oggetto massiccio Sagittario A *, per confronto, il diametro è leggermente inferiore alla distanza dal Sole a Plutone.

Le osservazioni sono state effettuate in più fasi, a partire dalla primavera del 2017 e durante i periodi del 2018. La quantità di informazioni è stata calcolata in petabyte, che poi hanno dovuto essere decifrati e ottenuta un'immagine genuina di un oggetto ultradistante. Pertanto, ci sono voluti altri due anni interi per eseguire la prescansione di tutti i dati e combinarli in un unico insieme.

2019 I dati sono stati decodificati e resi visibili con successo, producendo la prima immagine in assoluto di un buco nero.

(La prima immagine in assoluto di un buco nero nella galassia M87 nella costellazione della Vergine)

La risoluzione dell'immagine consente di vedere l'ombra del punto di non ritorno al centro dell'oggetto. L'immagine è stata ottenuta a seguito di osservazioni interferometriche con una linea di base extra lunga. Si tratta delle cosiddette osservazioni sincrone di un oggetto da più radiotelescopi interconnessi da una rete e situati in parti differenti globo che punta nella stessa direzione.

Cosa sono davvero i buchi neri?

Una spiegazione laconica del fenomeno suona così.

Un buco nero è una regione spazio-temporale la cui attrazione gravitazionale è così forte che nessun oggetto, compresi i quanti di luce, può lasciarlo.

Un buco nero una volta era una stella enorme. Finché le reazioni termonucleari mantengono alta la pressione nelle sue viscere, tutto rimane normale. Ma nel tempo, la scorta di energia si esaurisce e il corpo celeste, sotto l'influenza della propria gravità, inizia a rimpicciolirsi. La fase finale di questo processo è il collasso del nucleo stellare e la formazione di un buco nero.

• 1. Espulsione di un getto di buco nero ad alta velocità


• 2. Un disco di materia si trasforma in un buco nero


• 3. Buco nero


• 4. Schema dettagliato della regione del buco nero


• 5. Dimensione delle nuove osservazioni trovate

La teoria più comune dice che tali fenomeni esistono in ogni galassia, compreso al centro della nostra via Lattea. L'enorme gravità del buco è in grado di trattenere diverse galassie attorno ad esso, impedendo loro di allontanarsi l'una dall'altra. L'"area di copertura" può essere diversa, tutto dipende dalla massa della stella che si è trasformata in un buco nero e può essere di migliaia di anni luce.

Raggio di Schwarzschild

La proprietà principale di un buco nero è che la materia che vi entra non può mai tornare. Lo stesso vale per la luce. Al loro interno, i buchi sono corpi che assorbono completamente tutta la luce che cade su di essi e non emettono la propria. Tali oggetti possono apparire visivamente come grumi di oscurità assoluta.

• 1. Materia in movimento alla metà della velocità della luce


• 2. Anello fotonico


• 3. Anello fotonico interno


• 4. L'orizzonte degli eventi in un buco nero

Sulla base della teoria della relatività generale di Einstein, se un corpo si avvicina a una distanza critica dal centro del buco, non può più tornare. Questa distanza è chiamata raggio di Schwarzschild. Cosa accada esattamente all'interno di questo raggio non è noto con certezza, ma esiste la teoria più comune. Si ritiene che tutta la materia di un buco nero sia concentrata in un punto infinitamente piccolo e al suo centro vi sia un oggetto con una densità infinita, che gli scienziati chiamano una perturbazione singolare.

Come cade in un buco nero

(Nella foto, il buco nero del Sagittario A* sembra un ammasso di luce estremamente luminoso)

Non molto tempo fa, nel 2011, gli scienziati hanno scoperto una nuvola di gas, dandole il semplice nome G2, che emette una luce insolita. Un tale bagliore può dare attrito a gas e polvere, causato dall'azione del buco nero Sagittario A* e che ruotano attorno ad esso sotto forma di un disco di accrescimento. Così diventiamo osservatori fenomeno straordinario assorbimento di una nuvola di gas da parte di un buco nero supermassiccio.

Secondo studi recenti, l'approccio più vicino a un buco nero avverrà nel marzo 2014. Possiamo ricreare un'immagine di come si svolgerà questo emozionante spettacolo.

• 1. Quando appare per la prima volta nei dati, una nuvola di gas assomiglia a un'enorme palla di gas e polvere.


• 2. Ora, a giugno 2013, la nuvola è a decine di miliardi di chilometri dal buco nero. Ci cade ad una velocità di 2500 km / s.


• 3. Ci si aspetta che la nuvola superi il buco nero, ma le forze di marea causate dalla differenza di attrazione che agisce sui bordi anteriore e posteriore della nuvola la faranno allungare sempre di più.


• 4. Dopo che la nuvola si è rotta, molto probabilmente si unirà al disco di accrescimento attorno al Sagittario A*, generando onde d'urto al suo interno. La temperatura salirà a diversi milioni di gradi.


• 5. Parte della nuvola cadrà direttamente nel buco nero. Nessuno sa esattamente cosa accadrà a questa sostanza, ma si prevede che nel processo di caduta emetta potenti flussi di raggi X e nessun altro lo vedrà.

Video: un buco nero ingoia una nuvola di gas

(Simulazione al computer di quanto della nube di gas G2 verrà distrutta e consumata dal buco nero Sagittario A*)

Cosa c'è dentro un buco nero

C'è una teoria secondo cui un buco nero all'interno è praticamente vuoto e tutta la sua massa è concentrata in un punto incredibilmente piccolo situato proprio al centro: una singolarità.

Secondo un'altra teoria che esiste da mezzo secolo, tutto ciò che cade in un buco nero va in un altro universo situato nel buco nero stesso. Ora questa teoria non è quella principale.

E c'è una terza teoria, la più moderna e tenace, secondo la quale tutto ciò che cade in un buco nero si dissolve nelle vibrazioni delle corde sulla sua superficie, che è designata come orizzonte degli eventi.

Allora, qual è l'orizzonte degli eventi? È impossibile guardare all'interno di un buco nero anche con un telescopio superpotente, dal momento che anche la luce, entrando all'interno di un gigantesco imbuto cosmico, non ha alcuna possibilità di riemergere. Tutto ciò che può essere in qualche modo considerato è nelle sue immediate vicinanze.

L'orizzonte degli eventi è una linea condizionata della superficie da cui nulla (né gas, né polvere, né stelle, né luce) può sfuggire. E questo è il punto di non ritorno molto misterioso nei buchi neri dell'Universo.

In condizioni naturali, la maggior parte dei buchi neri dovrebbe ruotare. Ciò significa che un buco nero ha due superfici, una dentro l'altra. Quella esterna è la cosiddetta ergosfera. E se arrivi lì, ma non attraversi l'orizzonte degli eventi, allora puoi volare fuori dal buco nero. La cosa più interessante accade se arrivi sotto l'orizzonte di un buco nero. Una volta lì, non sarai in grado di volare in nessuna circostanza, qualunque cosa tu faccia. Evitare di cadere al centro di un buco nero dopo aver attraversato l'orizzonte è come evitare lunedì prossimo.

Ciò che accade quando ti avvicini a un buco nero e attraversi l'ergosfera o l'orizzonte dipende dalle sue dimensioni. Se il buco nero è molto grande, cioè massiccio (ad esempio, un buco con una massa di 100.000.000 di masse solari sarà grande il doppio dell'orbita terrestre - da qualche parte intorno a 300.000.000 di km), e attraversi la sua ergosfera o orizzonte degli eventi, allora non ti succede niente di male. Il fatto è che quando sei in caduta libera, senti la gravità solo attraverso le forze di marea. Questa è la differenza tra il modo in cui le gambe e la testa sono attratte dal centro gravitante. Attraverso la differenza di queste forze, senti la gravità in caduta libera. Se questa differenza è piccola, allora non senti davvero nulla. Per i grandi buchi neri, questa differenza è trascurabile. Pertanto, attraversando l'ergosfera o l'orizzonte di un tale buco, non sentirai alcuna forza distruttiva.

Se il buco nero è piccolo (ad esempio, se il sole potesse trasformarsi in un buco nero, il suo raggio sarebbe di circa 3 km), molto probabilmente le forze di marea saranno enormi e faranno a pezzi una persona. Ma anche un paio di chilometri prima di attraversare l'orizzonte, in avvicinamento, le forze di marea possono spezzarti. Dal punto di vista delle forze gravitazionali, ciò che conta qui è quanto sei lontano dalla singolarità (il centro del buco nero è il centro di

di tutta la sua massa al di sotto dell'orizzonte), e non quanto sei lontano dall'orizzonte o dall'ergosfera. Quando ti avvicini alla singolarità, inizi a sentire queste forze di marea.

Tutte queste conclusioni possono essere tratte studiando le proprietà dei buchi neri nel quadro della teoria della relatività generale. È applicabile solo se le forze di marea non sono molto forti. Quando le forze di marea diventano molto grandi (molto più grandi di quelle che fanno a pezzi una persona) non sappiamo più cosa sta succedendo. Non sappiamo cosa succede a densità ultraelevate che sorgono in prossimità della singolarità. Sappiamo solo che non ci sono singolarità in natura. Cosa accadrà invece della singolarità - proprio al centro del buco nero - non lo sappiamo.

Cadi in un buco nero

Considera la caduta di un corpo in un buco nero.

Immagina che la stella abbia iniziato a rimpicciolirsi in modo catastrofico. C'è stato, come dicono gli astrofisici, un collasso gravitazionale, e il corpo (diciamo voi) ha cominciato a cadere verso il centro della stella insieme alla sua materia. Tutto intorno cade con il corpo (da te). Semplicemente non hai nulla su cui attirare la tua attenzione, perché tutta la questione della stella sta cadendo! E si scopre che sei completamente immobile rispetto a quelle particelle di materia che volano vicino a te e con le quali puoi confrontare le letture del tuo orologio e la lunghezza dei tuoi righelli. Siete immobili l'uno rispetto all'altro anche nel momento di attraversare la sfera di Schwatzschild. Per te, quando attraversi questa terribile superficie, non accadrà nulla! Accelererai la tua caduta e in una frazione di secondo (secondo il tuo orologio) ti ritroverai al centro della stella, insieme a tutta la sua materia, che cadrà sulla tua testa (anche se di che testa possiamo parlare? circa se la densità al centro della stella diventa infinitamente grande).

Ora diamo un'occhiata alla tua caduta di lato.

Un osservatore esterno vede come la stella inizia improvvisamente a diminuire di dimensioni. In mezz'ora si restringe (cade) dalle dimensioni del Sole al raggio di una stella di neutroni. La compressione continua, e qui iniziano le stranezze. Invece di accelerare (la gravità sta crescendo), la caduta sta rallentando! Sì, mentre ci avviciniamo alla sfera di Schwatzschild, la gravità tende all'infinito. Ma dopotutto, il tempo inizia a scorrere infinitamente lentamente! Se una particella incidente segnala il suo movimento emettendo un fotone ogni secondo (orologio particellare), un osservatore esterno cattura questi fotoni 1 volta al secondo, quindi 1 volta ogni 2 secondi, ecc. diventa sempre più piccolo, i fotoni catturati risultano essere "più rosso". Quei fotoni che la particella emette vicino alla stessa sfera di Schwarzschild raggiungeranno un osservatore esterno con un intervallo di migliaia e milioni di anni. E l'ultimo fotone avrà un'energia infinitamente piccola e raggiungerà un osservatore esterno in un tempo infinitamente lungo. In altre parole, questo fotone non sarà mai visto da un osservatore esterno. Si scopre che per un osservatore dall'esterno, la stella sembra essere congelata. Tutti i processi diventano più lenti fino a quando non si bloccano completamente. Un osservatore esterno vedrà che la stella sembra essere congelata. Tuttavia, difficilmente sarà possibile osservare qualcosa al posto della stella di lato, perché lo spostamento verso il rosso diventerà così grande che le onde visibili si sposteranno nella gamma radio. Un osservatore esterno vedrà che la stella si è spenta.

In sostanza, i buchi neri, come vengono solitamente chiamati, sono stelle collassate, o meglio, il processo di compressione stellare allungato all'infinito.

Immagina come dovrebbe essere cadere in un buco nero di Schwarzschild. Un corpo che cade liberamente sotto l'influenza delle forze gravitazionali è in uno stato di assenza di gravità. Un corpo in caduta sperimenterà l'azione delle forze di marea che allungano il corpo in direzione radiale e lo comprimono in direzione tangenziale. L'entità di queste forze cresce e tende all'infinito a. Ad un certo punto, al momento opportuno, il corpo attraverserà l'orizzonte degli eventi. Dal punto di vista di un osservatore che cade con il corpo, questo momento non è distinto da nulla, ma ora non c'è ritorno. Il corpo finisce nel collo (il suo raggio è nel punto in cui si trova il corpo), che si contrae così rapidamente che non è più possibile uscirne in volo fino al momento del collasso definitivo (questa è la singolarità), anche muovendosi alla velocità della luce.

Consideriamo ora il processo di caduta di un corpo in un buco nero dal punto di vista di un osservatore distante. Lascia, ad esempio, che il corpo sia luminoso e, inoltre, invii segnali a una certa frequenza. All'inizio, un osservatore remoto vedrà che il corpo, essendo in fase di caduta libera, accelera gradualmente sotto l'influenza della gravità verso il centro. Il colore del corpo non cambia, la frequenza dei segnali rilevati è quasi costante. Tuttavia, quando il corpo inizia ad avvicinarsi all'orizzonte degli eventi, i fotoni provenienti dal corpo sperimenteranno uno spostamento verso il rosso sempre più gravitazionale. Inoltre, a causa del campo gravitazionale, tutti i processi fisici dal punto di vista di un osservatore distante andranno sempre più lenti della dilatazione temporale gravitazionale: un orologio fissato sulla coordinata radiale r senza rotazione andrà più lento di tempi infinitamente distanti.

Sembrerà che il corpo - in una forma estremamente appiattita - rallenterà, avvicinandosi all'orizzonte degli eventi, e, alla fine, si fermerà praticamente. La frequenza del segnale diminuirà drasticamente. La lunghezza d'onda della luce emessa dal corpo aumenterà rapidamente, in modo che la luce si trasformi rapidamente in onde radio e poi in bassa frequenza oscillazioni elettromagnetiche, che non può più essere riparato. L'osservatore non vedrà mai il corpo attraversare l'orizzonte degli eventi e, in questo senso, la caduta nel buco nero durerà indefinitamente. C'è però un momento, a partire dal quale un osservatore lontano non sarà più in grado di influenzare il corpo in caduta. Un raggio di luce inviato dietro a questo corpo o non lo raggiungerà mai o lo raggiungerà già oltre l'orizzonte. Inoltre, la distanza tra il corpo e l'orizzonte degli eventi, così come lo "spessore" di un corpo appiattito (dal punto di vista di un osservatore esterno), raggiungerà rapidamente la lunghezza di Planck e (dal punto di vista matematico ) continuerà a diminuire. Per un vero osservatore fisico (una misura principale con l'errore di Planck), ciò equivale al fatto che la massa del buco nero aumenterà della massa del corpo in caduta, il che significa che il raggio dell'orizzonte degli eventi aumenterà e il corpo in caduta sarà "dentro" l'orizzonte degli eventi in un tempo finito. Il processo di collasso gravitazionale sarà simile per un osservatore distante. All'inizio, la materia si precipiterà verso il centro, ma vicino all'orizzonte degli eventi comincerà a rallentare bruscamente, la sua radiazione andrà nella gamma radio e, di conseguenza, un osservatore distante vedrà che la stella si è spenta.

Può succedere a chiunque. Forse stai volando spazio aperto e cercando di trovare nuovo pianeta adatto alla vita umana. Oppure vai a fare una passeggiata e improvvisamente scivoli. Indipendentemente dalle circostanze, l'eterna domanda che tormenta le menti di molti potrebbe apparire nella tua testa: cosa accadrà se cadi in un buco nero?

Il paradosso del buco nero

Puoi presumere che verrai schiacciato o fatto a pezzetti. Tuttavia, la realtà sembra molto più strana. Nel momento in cui cadi nel buco nero, la realtà si dividerà in due. In una realtà, verrai immediatamente raso al suolo, ma in un'altra inizierai ad sprofondare in un buco nero senza alcun danno.

Cos'è un buco nero?

Un buco nero è un luogo in cui le leggi della fisica (come le persone le conoscono) smettono di funzionare. Einstein insegnò che la gravità piega lo spazio, facendolo ruotare. Quindi, se prendi un oggetto abbastanza denso, il continuum spazio-temporale può diventare così contorto da attorcigliarsi, creando un buco nel tessuto stesso della realtà.

Come nasce un buco nero?

Una grande stella che ha esaurito l'energia con cui lavorare può offrire l'incredibile densità necessaria per deformare così tanto una parte dell'universo. Mentre questa stella si piega sotto il suo stesso peso e collassa su se stessa, segue il continuum spazio-temporale. Il campo gravitazionale diventa così forte che nemmeno la luce può penetrarlo, rendendo completamente oscura l'area in cui ciò accade, creando cioè un buco nero.

orizzonte degli eventi

Il confine più lontano di un buco nero è "l'orizzonte degli eventi", cioè il luogo in cui forza gravitazionale scende a un livello tale che la luce sta per poter penetrare nel campo gravitazionale. Supera questa linea e non ci sarà via d'uscita. L'orizzonte degli eventi risplende letteralmente di energia. Gli effetti quantistici che si osservano ai margini di un buco nero creano flussi di particelle calde che si irradiano nell'Universo dal buco nero. Questo fenomeno è chiamato radiazione di Hawking, dal nome dello scienziato Stephen Hawking, che ha predetto questo effetto. Se dai al buco nero abbastanza tempo, la radiazione emetterà tutta la sua massa nello spazio, si esaurirà e scomparirà.

Curvatura dello spazio e singolarità

Man mano che ti muovi all'interno del buco nero, lo spazio diventerà sempre più curvo fino a raggiungere finalmente il centro del buco nero, dove lo spazio è infinitamente curvo. Questa è chiamata singolarità. Spazio e tempo cessano di esistere, così come le leggi della fisica, che richiedono la presenza di quegli stessi spazio e tempo per essere realizzate. Nessuno sa cosa accadrà dopo. Un altro universo? Oblio? Il retro di una libreria? È un mistero.

Il tuo compagno

Quindi cosa succede se cadi accidentalmente in una di queste aberrazioni cosmiche? Chiediamo alla tua compagna cosmica: che si chiami Anna. Ti guarda con orrore mentre cadi nel buco nero mentre lei stessa è a distanza di sicurezza da lei. E dal suo punto di vista, tutto ciò che accade sembra estremamente strano.

Il punto di vista di Anna

Mentre ti avvicini all'orizzonte degli eventi, Anna vede il tuo corpo allungarsi e deformarsi, come se ti stesse guardando attraverso una gigantesca lente d'ingrandimento. Inoltre, più ti avvicini all'orizzonte degli eventi, più ti sembrerà di rallentare. Quando raggiungi l'orizzonte degli eventi, Anna ti vede congelato sul posto, senza muoverti nemmeno di un millimetro. Rimani in un posto mentre il calore crescente inizia a lavorare su di te. Secondo Anna, vieni lentamente cancellato dall'allungamento dello spazio, dall'arresto del tempo e dal calore delle radiazioni di Hawking, finché non sei altro che cenere.

il tuo punto di vista

Ma prima di prepararti per il funerale, dovresti dimenticare Anna per un secondo e guardare tutto ciò che accade dal tuo punto di vista. E qui succede qualcosa di ancora più incredibile: niente. Il fatto è che se guardi la situazione attraverso i tuoi occhi, allora voli con calma attraverso l'orizzonte degli eventi, dirigendoti nell'oscurità assoluta, senza subire danni. Naturalmente, se il buco nero fosse più piccolo, saresti deformato come il resto dello spazio, ma se il buco nero è abbastanza grande, allora queste forze possono essere completamente ignorate e puoi vivere abbastanza a lungo finché non arrivi a la singolarità.

Lacrima di realtà

Ma qual è il problema? Perché Anna ti ha visto bruciato mentre stavi viaggiando in silenzio attraverso il buco nero? È diventata pazza e ha le allucinazioni? In effetti, tutto è molto più semplice: la questione è nelle leggi della fisica. Un lato, la fisica quantistica richiede che le informazioni non vadano mai perse, quindi non puoi lasciare l'universo e cadere in un buco nero: bruci sul posto sotto l'influenza delle radiazioni di Hawking. D'altra parte, devi attraversare l'orizzonte degli eventi senza essere esposto alle radiazioni, altrimenti il ​​​​ teoria generale La relatività di Einstein. È qui che irrompe la realtà.