Laetud must auk. Musta augu pinna elektrilised omadused. elektriliselt laetud mustad augud

1967. aasta lõpus ja esmakordselt kasutatud avalikus loengus "Our Universe: the Known and Unknown (Our Universe: the Known and Unknown)" 29.12.1967. Varem nimetati selliseid astrofüüsikalisi objekte "kokkuvarisenud tähtedeks" või "kokkuvarisemisteks" (inglise keelest. kokku kukkunud tähed), samuti "külmunud tähed" (ingl. külmunud tähed).

Küsimus mustade aukude tegelikust olemasolust vastavalt ülaltoodud definitsioonile on suuresti seotud sellega, kui õige on gravitatsiooniteooria, millest selliste objektide olemasolu tuleneb. Kaasaegses füüsikas on standardne gravitatsiooniteooria, mida eksperimentaalselt kõige paremini kinnitatakse, üldrelatiivsusteooria (GR), kuigi mustade aukude olemasolu on võimalik ka teiste (mitte kõigi) gravitatsiooniteoreetiliste mudelite raames (vt. gravitatsioon). Seetõttu analüüsitakse ja tõlgendatakse vaatlusandmeid eelkõige selle kontekstis, kuigi rangelt võttes ei leia see teooria eksperimentaalselt kinnitust tingimuste puhul, mis vastavad aegruumi piirkonnale musta augu vahetus läheduses. Seetõttu tuleks väiteid otseste tõendite kohta mustade aukude olemasolu kohta, sealhulgas käesolevas artiklis rangelt võttes mõista nii tihedate ja massiivsete objektide olemasolu kinnitamise tähenduses, millel on ka mõned muud jälgitavad omadused, et neid võib tõlgendada mustade aukudena.üldrelatiivsusteooria.

Lisaks nimetatakse mustadeks aukudeks sageli objektid, mis ei vasta rangelt ülaltoodud definitsioonile, vaid lähenevad oma omadustelt ainult sellisele GR-mustale augule, näiteks kokkuvarisemise hilises staadiumis varisevad tähed. Kaasaegses astrofüüsikas ei omistata sellele erinevusele erilist tähtsust, kuna "peaaegu kokkuvarisenud" ("külmunud") tähe ja "päris" musta augu vaatlusilmingud on peaaegu samad.

Mustade aukude ideede ajalugu

Mustade aukude ideede ajaloos on kolm perioodi:

Esimese perioodi algust seostatakse 1784. aastal avaldatud John Michelli tööga, milles kirjeldati vaatlusele ligipääsmatu objekti massi arvutamist.
Teist perioodi seostatakse üldrelatiivsusteooria väljatöötamisega, mille statsionaarse lahenduse sai Karl Schwarzschild 1915. aastal.
Stephen Hawkingi teose avaldamine 1975. aastal, milles ta pakkus välja mustade aukude kiirguse idee, alustab kolmandat perioodi. Teise ja kolmanda perioodi piir on üsna meelevaldne, kuna kõik Hawkingi avastuse tagajärjed ei selgunud kohe, mille uurimine jätkub tänapäevani.

"Must täht" Michell

"Must auk" Michell

Newtoni gravitatsiooniväljas lõpmatus seisvate osakeste jaoks, võttes arvesse energia jäävuse seadust:

Olgu gravitatsiooniraadius kaugus gravitatsioonimassist, mille juures osakese kiirus võrdub valguse kiirusega. Siis .

Massiivse keha kontseptsiooni, mille gravitatsioonitõmbejõud on nii tugev, et selle tõmbe ületamiseks vajalik kiirus (teine kosmiline kiirus) on võrdne valguse kiirusega või sellest suurem, esitas esmakordselt 1784. aastal John Michell oma saadetud kirjas. Kuninglikule Seltsile. Kirjas oli arvutus, millest järeldas, et 500 päikeseraadiuse raadiusega ja Päikese tihedusega keha puhul oleks teine ruumikiirus selle pinnal võrdne valguse kiirusega. Seega ei saa valgus sellest kehast lahkuda ja see on nähtamatu. Michell pakkus välja, et selliseid jälgimatuid objekte võib kosmoses olla palju. 1796. aastal käsitles Laplace seda ideed oma Exposition du Systeme du Monde'is, kuid see osa jäeti järgmistes väljaannetes välja.

Pärast Laplace'i, enne Schwarzschildi

19. sajandil ei äratanud idee oma massilisuse tõttu nähtamatud kehadest teadlastes erilist huvi. Selle põhjuseks oli asjaolu, et klassikalise füüsika raames ei oma valguse kiirus põhimõttelist tähtsust. 19. sajandi lõpus - 20. sajandi alguses leiti aga, et J. Maxwelli sõnastatud elektrodünaamika seadused ühelt poolt kehtivad kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamides, teisalt aga mitte. neil on invariantsus Galilei teisenduste suhtes. See tähendas, et füüsikas arenenud ideid ühelt inertsiaalselt tugiraamistikult teisele ülemineku olemuse kohta tuleb oluliselt korrigeerida.

Elektrodünaamika edasiarendamise käigus pakkus G. Lorentz välja uue aegruumi koordinaatide teisenduste süsteemi (tänapäeval tuntud kui Lorentzi teisendused), mille suhtes Maxwelli võrrandid jäid muutumatuks. Lorentzi ideid arendades pakkus A. Poincaré, et ka kõik teised füüsikalised seadused on nende teisenduste korral muutumatud.

Ruumi kõverus

(Pseudo-)Riemanni ruumid on ruumid, mis väikeses mastaabis käituvad "peaaegu" nagu tavalised (pseudo)eukleidilised ruumid. Seega on sfääri väikestel osadel Pythagorase teoreem ja muud Eukleidilise geomeetria faktid väga suure täpsusega rahul. Omal ajal võimaldas see asjaolu konstrueerida eukleidilist geomeetriat, mis põhines vaatlustel Maa pinnal (mis tegelikkuses pole tasane, vaid sfääriline). Sama asjaolu määras pseudo-Riemanni (ja mitte ühegi teise) ruumide valiku GR-i põhiliseks vaatlusobjektiks: aegruumi väikeste alade omadused ei tohiks oluliselt erineda SRT-st teadaolevatest.

Kuid suures plaanis võivad Riemanni ruumid olla eukleidilistest ruumidest väga erinevad. Sellise erinevuse üks peamisi omadusi on kõveruse mõiste. Selle olemus on järgmine: Eukleidilistel ruumidel on omadus absoluutne paralleelsus: vektor X" , mis on saadud vektori paralleelse translatsiooni tulemusena X mis tahes suletud rada pidi, langeb kokku algse vektoriga X. Riemanni ruumide puhul ei ole see enam alati nii, mida saab hõlpsasti näidata järgmises näites. Oletame, et vaatleja seisis ekvaatori ristumiskohas nullmeridiaaniga ida poole ja hakkas piki ekvaatorit liikuma. Jõudnud punkti, mille pikkuskraad on 180°, muutis ta liikumissuunda ja hakkas liikuma piki meridiaani põhja poole, muutmata oma pilgu suunda (see tähendab, et nüüd vaatab ta mööda teed paremale) . Kui ta ületab põhjapooluse ja naaseb oma alguspunkti, avastab ta, et ta on näoga läände (ja mitte itta, nagu algselt). Teisisõnu, vaatleja marsruudil paralleelselt üle kantud vektor "keris" algse vektori suhtes. Sellise "kerimise" suuruse tunnuseks on kõverus.

Einsteini võrrandite lahendused mustade aukude jaoks

GR-i mustade aukude statsionaarseid lahendusi iseloomustavad kolm parameetrit: mass ( M), nurkmoment ( L) ja elektrilaeng ( K), mis koosnevad sellesse langenud kehade ja kiirguse vastavatest omadustest. Iga must auk kipub välismõjude puudumisel muutuma paigal, mida tõestasid paljude teoreetiliste füüsikute jõupingutused, millest andis oma panuse Nobeli preemia laureaat Subramanjan Chandrasekhar, kes kirjutas monograafia “Mustade aukude matemaatiline teooria”, mis on fundamentaalne. selle suuna jaoks kuulub.

Einsteini võrrandite lahendused vastavate tunnustega mustade aukude jaoks:

Keerulise musta augu lahendus on äärmiselt keeruline. Huvitaval kombel "arvas" Kerr "füüsilistel kaalutlustel" lahenduse kõige keerulisema vormi. Kerri lahenduse esimese järjekindla tuletamise tegi S. Chandrasekhar esimest korda rohkem kui viisteist aastat hiljem. Arvatakse, et Kerri lahendus on astrofüüsika jaoks kõige olulisem, kuna laetud mustad augud peavad kiiresti laengu kaotama, meelitades ligi ja neelates kosmosest pärit vastupidiselt laetud ioone ja tolmu. On olemas ka teooria, mis seob gammakiirguse pursked laetud mustade aukude plahvatusliku neutraliseerimise protsessiga, luues vaakumist elektron-positroni paarid ja ühe osakese kukkumise auku teise lõpmatusse suundumisega (R. Ruffini ja töökaaslased).

Schwarzschildi lahendus

Objektid, mille suurus on kõige lähemal nende Schwarzschildi raadiusele, kuid mis ei ole veel mustad augud, on neutrontähed.

Saate tutvustada musta augu "keskmise tiheduse" kontseptsiooni, jagades selle massi sündmuste horisondi all oleva mahuga:

Keskmine tihedus väheneb musta augu massi suurenedes. Seega, kui Päikese suurusjärgu massiga musta augu tihedus ületab tuuma tihedust, siis supermassiivsel mustal augul massiga 10 9 päikesemassi (kvasarites kahtlustatakse selliste mustade aukude olemasolu) on keskmine tihedus suurusjärgus 20 kg/m³, mis on oluliselt väiksem kui vee tihedus!

Seega on musta auku võimalik saada mitte ainult olemasoleva ainemahu kokkusurumisel, vaid ka ekstensiivselt, tohutul hulgal materjali akumuleerides.

Päris mustade aukude täpseks kirjeldamiseks on vaja arvesse võtta kvantkorrektsioone, aga ka nurkimpulsi olemasolu. Sündmushorisondi lähedal on materiaalsete väljadega (elektromagnetiline, neutriino jne) seotud kvantefektid tugevad. Seda arvesse võttes nimetatakse teooriat (st üldrelatiivsusteooriat, milles Einsteini võrrandite parem pool on energia-impulsstensori kvantseisundi keskmine) tavaliselt "poolklassikaliseks gravitatsiooniks".

Reissner-Nordströmi lahendus

See on Einsteini võrrandite staatiline lahendus sfääriliselt sümmeetrilise musta augu jaoks, millel on laeng, kuid ilma pöörlemiseta.

Reissner-Nordströmi musta augu mõõdik:

c- valguse kiirus, m/s, t- aja koordinaat (lõpmatult kaugel asuva kella järgi mõõdetud aeg), sekundites, r– radiaalne koordinaat ("ekvaatori" pikkus jagatud 2π-ga), meetrites, θ - geograafiline laiuskraad (nurk põhjast), radiaanides, - pikkuskraad radiaanides, r s− massiga keha Schwarzschildi raadius (meetrites). M , r K− elektrilaengule vastav pikkusskaala (meetrites). K(analoogselt Schwarzschildi raadiusega, ainult mitte massi, vaid laengu jaoks) defineeritud kui

kus on Coulombi konstant.

Musta augu parameetrid ei saa olla suvalised. Maksimaalne laeng, mis Reissner-Nordströmi mustal augul võib olla, on , kus e on elektroni laeng. See on Kerr-Newmani piirangu erijuhtum mustade aukude jaoks, mille nurkimpulss on null ( J= 0, st ei pöörle).

Siiski tuleb märkida, et realistlikes olukordades (vt: Kosmilise tsensuuri põhimõte) ei tohiks mustad augud olla oluliselt laetud.

Kerri lahendus

Kerri mustal augul on mitmeid tähelepanuväärseid omadusi. Sündmushorisondi ümber on piirkond, mida nimetatakse ergosfääriks, mille sees ei saa kaugete vaatlejate suhtes puhata, vaid ainult pöörleb ümber musta augu selle pöörlemise suunas. Seda efekti nimetatakse "inertsiaalseks kaadri lohiseks" (ing. raami lohistamine) ja seda täheldatakse mis tahes pöörleva massiivse keha ümber, näiteks ümber Maa või Päikese, kuid sees palju väiksem aste. Ergosfääri enda võib aga ikkagi jätta, see ala pole põnev. Ergosfääri mõõtmed sõltuvad pöörlemise nurkmomendist.

Musta augu parameetrid ei saa olla meelevaldsed (vt: Kosmilise tsensuuri põhimõte). Kell J max = M 2 mõõdikut nimetatakse Kerri piirlahenduseks. See on Kerr-Newmani piirangu erijuhtum nulllaenguga musta augu jaoks ( K = 0 ).

See ja teised "musta augu" lahendused loovad hämmastava aegruumi geomeetria. Siiski on vaja analüüsida vastava konfiguratsiooni stabiilsust, mis võib puruneda interaktsiooni tõttu kvantväljadega ja muude mõjudega.

Kerri aegruumi jaoks tegi selle analüüsi Subramanjan Chandrasekhar ja leiti, et Kerri must auk – selle välimine piirkond – on stabiilne. Sarnaselt osutusid erijuhtudena stabiilseks Schwarzschildi ja Reissner-Nordströmi augud. Kerr-Newmani aegruumi analüüsi pole aga suurte matemaatiliste raskuste tõttu veel tehtud.

Kerr-Newmani lahendus

Kolmeparameetriline Kerr-Newmani perekond on kõige üldisem lahendus, mis vastab musta augu lõplikule tasakaaluolekule. Boyeri – Lindquisti koordinaatide puhul on Kerr – Newmani mõõdik antud järgmiselt:

Sellest lihtsast valemist on lihtne järeldada, et sündmuste horisont on raadiuses: .

Ja seetõttu ei saa musta augu parameetrid olla suvalised. Elektrilaeng ja nurkimment ei saa olla suuremad kui sündmuse horisondi kadumisele vastavad väärtused. Järgida tuleb järgmisi piiranguid:

- see on Kerr-Newmani piirang.

Kui neid piiranguid rikutakse, kaob sündmuste horisont ja musta augu asemel olev lahendus kirjeldab nn "alasti" singulaarsust, kuid selliseid objekte ei tohiks reaalses universumis üldlevinud arusaamade kohaselt eksisteerida. (Vaata: Kosmilise tsensuuri põhimõte, kuid seda pole veel tõestatud).

Kerr-Newmani mõõdikut saab analüütiliselt laiendada nii, et see ühendaks mustas augus lõpmatult palju "sõltumatuid" ruume. See võib olla nii "teised" universumid kui ka meie universumi kaugemad osad. Nii saadud ruumides on suletud ajataolised kõverad: rändur võib põhimõtteliselt sattuda oma minevikku ehk kohtuda iseendaga. Pöörleva BH sündmuste horisondi ümber on ka piirkond, mida nimetatakse ergosfääriks, mis on praktiliselt samaväärne Kerri lahenduse ergosfääriga; seal asuv statsionaarne vaatleja peab pöörlema positiivse nurkkiirusega (musta augu pöörlemissuunas).

Mustade aukude termodünaamika ja aurustumine

Musta augu kui absoluutselt neelava objekti kontseptsiooni korrigeeris S. Hawking 1975. aastal. Uurides musta augu läheduses olevate kvantväljade käitumist, ennustas ta, et must auk kiirgab tingimata osakesi kosmosesse ja kaotab seeläbi massi. Seda efekti nimetatakse Hawkingi kiirguseks (aurustumiseks). Lihtsamalt öeldes polariseerib gravitatsiooniväli vaakumit, mille tulemusena on võimalik mitte ainult virtuaalsete, vaid ka reaalsete osakeste-antiosakeste paaride teke. Üks osakestest, mis osutus vahetult sündmuste horisondi all olevaks, kukub musta auku ja teine, mis osutus just horisondi kohal asuvaks, lendab minema, võttes ära energia (st osa musta augu mass). Musta augu kiirgusvõimsus on

Kiirguse koostis sõltub musta augu suurusest: suurte mustade aukude puhul on need peamiselt footonid ja neutriinod ning heledate mustade aukude spektris hakkavad esinema rasked osakesed. Hawkingi kiirguse spekter osutus rangelt kattuvaks absoluutselt musta keha kiirgusega, mis võimaldas määrata mustale augule temperatuuri

kus on vähendatud Plancki konstant, c- valguse kiirus, k- Boltzmanni konstant, G- gravitatsioonikonstant, M on musta augu mass.

Selle põhjal ehitati üles mustade aukude termodünaamika, sealhulgas musta augu entroopia põhikontseptsioon, mis osutus proportsionaalseks selle sündmuste horisondi pindalaga:

kus A on sündmuste horisondi ala.

Mida suurem on musta augu aurustumiskiirus, seda väiksem on selle suurus. Tähtede (ja eriti galaktiliste) skaalade mustade aukude aurustumist võib tähelepanuta jätta, kuid primaarsete ja eriti kvantmustade aukude puhul muutuvad aurustumisprotsessid keskseks.

Aurustumise tõttu kaotavad kõik mustad augud massi ja nende eluiga osutub piiratud:

Samal ajal suureneb aurustumise intensiivsus nagu laviin ja evolutsiooni viimane etapp on plahvatuse iseloomuga, näiteks 1000-tonnise massiga must auk aurustub umbes 84 sekundiga, vabastades energia võrdse umbes kümne miljoni keskmise võimsusega aatomipommi plahvatuseni.

Samal ajal saavad suured mustad augud, mille temperatuur on alla Universumi kosmilise taustkiirguse temperatuuri (2,7 K), kasvada ainult universumi praeguses arengufaasis, kuna nende kiirgav kiirgus on vähem energiat. kui neeldunud kiirgus. See protsess kestab seni, kuni kosmilise mikrolaine taustkiirguse footongaas universumi paisumise tagajärjel jahtub.

Ilma gravitatsiooni kvantteooriata on võimatu kirjeldada aurustumise viimast etappi, mil mustad augud muutuvad mikroskoopiliseks (kvant). Mõnede teooriate kohaselt peaks pärast aurustumist tekkima "tuhk" - minimaalne Plancki must auk.

Teoreemid "juuste puudumise" kohta

Musta augu "juusteta" teoreemid Juukseteoreem puudub) näitavad, et paigalseisval mustal augul ei saa olla lisaks massile, nurkimpulsile ja teatud laengutele (erinevatele materjaliväljadele omane) väliseid omadusi ning kokkuvarisemise käigus kaob (ja kiirgab osaliselt väljapoole) detailne teave aine kohta. Suure panuse erinevate füüsikaväljade süsteemide sarnaste teoreemide tõestamisse andsid Brandon Carter, Werner Israel, Roger Penrose, Piotr Krushel (Chruściel), Markus Häusler. Nüüd tundub, et see teoreem kehtib praegu teadaolevate väljade kohta, kuigi mõnel eksootilisel juhul, millel pole looduses analooge, seda rikutakse.

Kukkuda musta auku

Kujutage ette, kuidas peaks välja nägema kukkumine Schwarzschildi musta auku. Raskusjõu mõjul vabalt langev keha on kaaluta olekus. Kukkuv keha kogeb loodete jõudude toimet, mis venitavad keha radiaalsuunas ja suruvad kokku puutujasuunas. Nende jõudude suurus kasvab ja kipub lõpmatuseni kell . Mingil õigel hetkel ületab keha sündmuste horisondi. Kehaga koos langeva vaatleja seisukohalt ei erista seda hetke mitte millegagi, kuid nüüd pole enam tagasitulekut. Keha jõuab kaela (selle raadius keha asukohas on ), mis tõmbub kokku nii kiiresti, et sealt ei ole enam võimalik enne lõpliku kokkuvarisemise hetkeni välja lennata (see on singulaarsus), isegi liigub valguse kiirusel.

Vaatleme nüüd keha musta auku langemise protsessi kauge vaatleja vaatenurgast. Olgu näiteks keha helendav ja lisaks saadab teatud sagedusel signaale tagasi. Algul näeb kaugvaatleja, et keha, mis on vabalangemise protsessis, kiireneb raskusjõu mõjul järk-järgult keskme suunas. Keha värvus ei muutu, tuvastatud signaalide sagedus on peaaegu konstantne. Kui keha aga hakkab lähenema sündmuste horisondile, kogevad kehast tulevad footonid üha enam gravitatsioonilist punanihet. Lisaks lähevad gravitatsioonivälja mõjul nii valgus kui ka kõik kaugema vaatleja seisukohalt füüsikalised protsessid aina aeglasemalt. Näib, et keha - äärmiselt lamedal kujul - hakkab võta aeglasemalt, läheneb sündmuste horisondile ja lõpuks praktiliselt peatub. Signaali sagedus langeb järsult. Keha kiirgava valguse lainepikkus kasvab kiiresti, nii et valgus muutub kiiresti raadiolaineteks ja seejärel madalsageduslikeks elektromagnetvõnkudeks, mida pole enam võimalik fikseerida. Vaatleja ei näe keha kunagi sündmuste horisonti ületamas ja selles mõttes kestab musta auku kukkumine lõputult. Siiski on hetk, millest alates ei saa kauge vaatleja enam langevat keha mõjutada. Selle keha järele saadetud valguskiir ei jõua sellele kas üldse kunagi järele või jõuab järele juba horisondi taha.

Gravitatsioonilise kollapsi protsess näeb kauge vaatleja jaoks sarnane. Algul kihutab aine tsentri poole, kuid sündmuste horisondi lähedal hakkab see järsult aeglustuma, selle kiirgus läheb raadioulatusse ja selle tulemusena näeb kauge vaatleja, et täht on kustunud. .

Stringiteooria mudel

Samir Mathuri rühm arvutas nende meetodil välja mitme mustade aukude mudeli suurused. Saadud tulemused langesid kokku traditsioonilise teooria "sündmushorisondi" suurusega.

Sellega seoses pakkus Mathur, et sündmuste horisont on tegelikult vahutav stringide mass, mitte jäigalt määratletud piir.

Seetõttu must auk selle mudeli järgi tegelikult informatsiooni ei hävita, sest mustadel aukudel puudub singulaarsus. Stringide mass on jaotatud kogu helitugevuse ulatuses kuni sündmuste horisondini ning teavet saab stringidesse salvestada ja edastada väljuva Hawkingi kiirgusega (ja seetõttu sündmuste horisondist kaugemale).

Teise võimaluse pakkusid välja Gary Horowitz California ülikoolist Santa Barbaras ja Juan Maldacena Princetoni edasijõudnute uuringute instituudist. Nende teadlaste sõnul on musta augu keskmes singulaarsus, kuid informatsioon lihtsalt ei satu sinna: aine läheb singulaarsusse ja teave – kvantteleportatsiooni teel – jääb Hawkingi kiirgusele.

Mustad augud universumis

Alates mustade aukude teoreetilisest ennustamisest on nende olemasolu küsimus jäänud lahtiseks, kuna “musta augu” tüüpi lahenduse olemasolu ei garanteeri veel mehhanismide olemasolu selliste objektide tekkeks Universumis. Siiski on teada mehhanismid, mis võivad mõningaid põhjustada piirkond aegruumil on samad omadused (sama geomeetria) kui vastaval piirkond musta augu juures. Nii võib näiteks tähe kokkuvarisemise tulemusena tekkida joonisel näidatud aegruum.

Mustad augud

Alates XIX sajandi keskpaigast. Elektromagnetismi teooria arendamisel oli James Clerk Maxwellil suur hulk teavet elektri- ja magnetväljade kohta. Eelkõige oli üllatav, et elektri- ja magnetjõud vähenevad kaugusega täpselt samamoodi nagu gravitatsioonijõud. Nii gravitatsiooni- kui ka elektromagnetilised jõud on pikamaajõud. Neid võib tunda nende allikatest väga kaugel. Vastupidi, jõududel, mis seovad kokku aatomite tuumad – tugeva ja nõrga vastasmõju jõududel – on lühike toimeraadius. Tuumajõud annavad end tunda vaid väga väikesel tuumaosakesi ümbritseval alal. Elektromagnetiliste jõudude suur ulatus tähendab, et kuna see on mustast august kaugel, siis saab teha katseid, et selgitada välja, kas see auk on laetud või mitte. Kui mustal augul on elektrilaeng (positiivne või negatiivne) või magnetlaeng (vastab põhja- ehk noorele magnetpoolusele), siis on kauguses asuv vaatleja võimeline tuvastama nende laengute olemasolu tundlike instrumentide abil. 1960. aastate lõpus ja 1970. aastate alguses on astrofüüsikud -teoreetikud probleemi kallal kõvasti tööd teinud: millised mustade aukude omadused talletuvad ja millised omadused neis kaovad?Musta augu tunnused, mida saab kauge vaatleja mõõta, on selle mass, selle laeng ja selle nurkimment. Need kolm peamist omadust säilivad musta augu tekkimise ajal ja määravad selle läheduses oleva aegruumi geomeetria. Ehk kui määrata musta augu mass, laeng ja nurkimpulss, siis saab sellest juba kõik teada – mustadel aukudel pole muid omadusi peale massi, laengu ja nurkimpulsi. Seega on mustad augud väga lihtsad objektid; need on palju lihtsamad kui tähed, millest tekivad mustad augud. G. Reisner ja G. Nordström avastasid Einsteini gravitatsioonivälja võrrandite lahenduse, mis kirjeldab täielikult "laetud" musta auku. Sellisel mustal augul võib olla elektrilaeng (positiivne või negatiivne) ja/või magnetlaeng (vastab põhja- või lõunapoolusele). Kui elektriliselt laetud kehad on tavalised, siis magnetiliselt laetud kehad pole seda üldse. Kehadel, millel on magnetväli (näiteks tavaline magnet, kompassinõel, Maa), on tingimata korraga nii põhja- kui ka lõunapoolus. Kuni viimase ajani uskus enamik füüsikuid, et magnetpoolused esinevad alati ainult paarikaupa. 1975. aastal teatas aga rühm Berkeley ja Houstoni teadlasi, et nad avastasid ühes oma katses magnetilise monopoli. Kui need tulemused kinnitust leiavad, siis selgub, et võivad eksisteerida eraldi magnetlaengud, s.t. et põhjamagnetpoolus võib eksisteerida lõunast eraldi ja vastupidi. Reisner-Nordströmi lahendus võimaldab monopooluse magnetvälja olemasolu mustas augus. Olenemata sellest, kuidas must auk laengu omandas, on kõik selle laengu omadused Reisner-Nordströmi lahenduses ühendatud üheks tunnuseks - arvuks Q. See omadus sarnaneb asjaoluga, et Schwarzschildi lahendus ei sõltu sellest, kuidas must auk omandas oma massi. Sellisel juhul ei sõltu aegruumi geomeetria Reisner-Nordströmi lahenduses laengu olemusest. See võib olla positiivne, negatiivne, vastata põhja- või lõunapoolsele magnetpoolusele – oluline on ainult selle täisväärtus, mille saab kirjutada kui |Q|. Seega sõltuvad Reisner-Nordströmi musta augu omadused ainult kahest parameetrist - augu M kogumassist ja selle kogulaengust|Q| (teisisõnu selle absoluutväärtusest). Mõeldes tõelistele mustadele aukudele, mis võiksid meie universumis reaalselt eksisteerida, jõudsid füüsikud järeldusele, et Reisner-Nordströmi lahendus ei osutu kuigi oluliseks, sest elektromagnetilised jõud on palju suuremad kui gravitatsioonijõud. Näiteks elektroni või prootoni elektriväli on triljoneid triljoneid kordi tugevam kui nende gravitatsiooniväli. See tähendab, et kui mustal augul oleks piisavalt suur laeng, siis elektromagnetilise päritoluga tohutud jõud hajutavad ruumis "hõljuva" gaasi ja aatomeid kiiresti igas suunas. Musta auguga sama laengumärgiga osakesed kogeksid võimalikult lühikese aja jooksul võimsat tõukejõudu ja vastupidise laengumärgiga osakesed kogeksid sellele sama võimsat külgetõmmet. Meelitades ligi vastupidise märgiga laenguga osakesi, muutuks must auk peagi elektriliselt neutraalseks. Seetõttu võime eeldada, et tõelistel mustadel aukudel on vaid väike laeng. Päris mustade aukude puhul |Q| väärtus peab olema palju väiksem kui M. Tõepoolest, arvutustest järeldub, et mustade aukude mass, mis võiksid ruumis tegelikult eksisteerida, peab olema vähemalt miljard miljardit korda suurem kui |Q|.

Seoses suhteliselt hiljutise huvi kasvuga kosmoseuuringute populaarteaduslike filmide tegemise vastu on tänapäeva vaataja palju kuulnud sellistest nähtustest nagu singulaarsus ehk must auk. Kuid ilmselgelt ei paljasta filmid nende nähtuste täielikku olemust ja mõnikord isegi moonutavad konstrueeritud teaduslikke teooriaid suurema efekti saavutamiseks. Sel põhjusel on paljude kaasaegsete inimeste ettekujutus nendest nähtustest kas täiesti pealiskaudne või täiesti ekslik. Üheks lahenduseks tekkinud probleemile on käesolev artikkel, milles püüame mõista olemasolevaid uurimistulemusi ja vastata küsimusele - mis on must auk?

1784. aastal mainis inglise preester ja loodusteadlane John Michell esmakordselt kirjas Kuninglikule Seltsile hüpoteetilist massiivset keha, millel on nii tugev gravitatsiooniline külgetõmme, et selle teine kosmiline kiirus ületaks valguse kiiruse. Teine kosmiline kiirus on kiirus, mida suhteliselt väike objekt vajab, et ületada taevakeha gravitatsiooniline külgetõmme ja ületada selle keha ümber oleva suletud orbiidi piire. Tema arvutuste kohaselt on Päikese tihedusega ja 500 päikeseraadiuse raadiusega keha pinnal teine kosmiline kiirus, mis võrdub valguse kiirusega. Sellisel juhul ei lahku isegi valgus sellise keha pinnalt ja seetõttu neelab see keha ainult sissetulevat valgust ja jääb vaatlejale nähtamatuks - omamoodi mustaks täpiks pimeda ruumi taustal.

Michelli pakutud ülimassiivse keha kontseptsioon ei äratanud aga suurt huvi kuni Einsteini loominguni. Tuletame meelde, et viimane määratles valguse kiiruse kui teabe edastamise piirava kiiruse. Lisaks laiendas Einstein gravitatsiooniteooriat valguse kiirusele lähedastele kiirustele (). Selle tulemusena ei olnud enam asjakohane rakendada Newtoni teooriat mustade aukude suhtes.

Einsteini võrrand

Mustade aukude üldrelatiivsusteooria rakendamise ja Einsteini võrrandite lahendamise tulemusena selgusid musta augu peamised parameetrid, mida on ainult kolm: mass, elektrilaeng ja nurkimment. Tuleb märkida India astrofüüsiku Subramanjan Chandrasekhari märkimisväärset panust, kes lõi põhjapaneva monograafia: "Mustade aukude matemaatiline teooria".

Seega kujutab Einsteini võrrandite lahendust neli võimalust nelja võimaliku tüüpi mustade aukude jaoks:

Ilma pöörlemiseta ja laenguta must auk on Schwarzschildi lahendus. Üks esimesi musta augu kirjeldusi (1916), kasutades Einsteini võrrandeid, kuid võtmata arvesse kahte keha kolmest parameetrist. Saksa füüsiku Karl Schwarzschildi lahendus võimaldab arvutada sfäärilise massiivse keha välise gravitatsioonivälja. Saksa teadlase mustade aukude kontseptsiooni eripäraks on sündmuste horisondi ja selle taga oleva horisondi olemasolu. Schwarzschild arvutas kõigepealt välja ka gravitatsiooniraadiuse, mis sai tema nime ja mis määrab selle sfääri raadiuse, millel asetseks antud massiga keha jaoks sündmuste horisont.
Laenguga pöörlemata must auk on Reisner-Nordströmi lahendus. Aastatel 1916-1918 välja pakutud lahendus, mis arvestab musta augu võimalikku elektrilaengut. See laeng ei saa olla meelevaldselt suur ja on sellest tuleneva elektrilise tõuke tõttu piiratud. Viimast tuleb kompenseerida gravitatsioonilise külgetõmbe abil.
Pöörlemise ja laenguta must auk – Kerri lahendus (1963). Pöörlev Kerri must auk erineb staatilisest nn ergosfääri olemasolu poolest (selle ja teiste musta augu komponentide kohta loe lähemalt).
BH koos pöörlemise ja laadimisega - Kerr-Newmani lahendus. See lahendus arvutati 1965. aastal ja on praegu kõige täielikum, kuna see võtab arvesse kõiki kolme BH parameetrit. Siiski eeldatakse endiselt, et mustadel aukudel on looduses tühine laeng.

Musta augu teke

Musta augu tekkimise ja tekkimise kohta on mitu teooriat, millest tuntuim on piisava massiga tähe tekkimine gravitatsioonilise kollapsi tagajärjel. Selline kokkusurumine võib lõpetada selliste tähtede evolutsiooni, mille mass on üle kolme päikese massi. Pärast termotuumareaktsioonide lõppemist selliste tähtede sees hakkavad nad kiiresti kahanema ülitihedaks. Kui neutrontähe gaasi rõhk ei suuda gravitatsioonijõude kompenseerida ehk siis tähe mass ületab nn. Oppenheimeri-Volkovi piiril, siis kollaps jätkub, põhjustades aine kokkutõmbumise mustaks auguks.

Teine stsenaarium, mis kirjeldab musta augu sündi, on protogalaktilise gaasi kokkusurumine, st tähtedevaheline gaas, mis on muutumise staadiumis galaktikaks või mingiks parveks. Samade gravitatsioonijõudude kompenseerimiseks ebapiisava siserõhu korral võib tekkida must auk.

Kaks muud stsenaariumi jäävad hüpoteetiliseks:

Musta augu tekkimine selle tagajärjel - nn. ürgsed mustad augud.
Tekkimine suure energiaga tuumareaktsioonide tulemusena. Selliste reaktsioonide näiteks on katsed põrkeseadmetega.

Mustade aukude struktuur ja füüsika

Musta augu struktuur Schwarzschildi järgi sisaldab ainult kahte varem mainitud elementi: musta augu singulaarsust ja sündmuste horisonti. Lühidalt singulaarsusest rääkides võib märkida, et selle kaudu on võimatu sirgjoont tõmmata ja ka enamik olemasolevaid füüsikalisi teooriaid selle sees ei tööta. Seega jääb singulaarsuse füüsika tänapäeval teadlastele mõistatuseks. Musta augu puhul on tegemist teatud piiriga, mille ületamisel kaotab füüsiline objekt võime üle oma piiride tagasi pöörduda ja “langeb” ühemõtteliselt musta augu singulaarsusse.

Musta augu struktuur muutub mõnevõrra keerulisemaks Kerri lahenduse puhul, nimelt BH rotatsiooni olemasolul. Kerri lahendus eeldab, et augul on ergosfäär. Ergosfäär – sündmuste horisondist väljaspool asuv teatud ala, mille sees liiguvad kõik kehad musta augu pöörlemissuunas. See ala pole veel põnev ja erinevalt sündmuste horisondist on võimalik sealt lahkuda. Ergosfäär on ilmselt omamoodi akretsiooniketta analoog, mis kujutab endast massiivsete kehade ümber pöörlevat ainet. Kui staatilist Schwarzschildi musta auku kujutatakse musta sfäärina, siis Kerry must auk on ergosfääri olemasolu tõttu lapiku ellipsoidi kujuga, mille kujul nägime vanasti joonistel sageli musti auke. filme või videomänge.

Kui palju must auk kaalub? – Suurim teoreetiline materjal musta augu väljanägemise kohta on saadaval selle stsenaariumi kohta, mis tekib tähe kokkuvarisemise tagajärjel. Sel juhul määratakse neutrontähe maksimaalne ja musta augu minimaalne mass Oppenheimeri - Volkovi piiriga, mille järgi on BH massi alumine piir 2,5 - 3 päikese massi. Kõigi aegade raskeima musta augu (galaktikas NGC 4889) mass on 21 miljardit päikesemassi. Siiski ei tohiks unustada musti auke, mis hüpoteetiliselt tulenevad suure energiaga tuumareaktsioonidest, näiteks põrkajate juures. Selliste kvantmustade aukude, teisisõnu "Plancki mustade aukude" mass on suurusjärgus , nimelt 2 10–5 g.
Musta augu suurus. Minimaalse BH raadiuse saab arvutada minimaalse massi järgi (2,5 – 3 päikesemassi). Kui Päikese gravitatsiooniraadius ehk piirkond, kus oleks sündmuste horisont, on umbes 2,95 km, siis 3 päikesemassi BH minimaalne raadius on umbes üheksa kilomeetrit. Sellised suhteliselt väikesed suurused ei mahu pähe, kui tegemist on massiivsete objektidega, mis tõmbavad kõike ümbritsevat. Kvantmustade aukude raadius on aga –10–35 m.
Musta augu keskmine tihedus sõltub kahest parameetrist: massist ja raadiusest. Umbes kolme päikesemassiga musta augu tihedus on umbes 6 10 26 kg/m³, vee tihedus aga 1000 kg/m³. Nii väikseid musti auke pole teadlased aga leidnud. Enamiku tuvastatud BH-de mass on suurem kui 105 päikesemassi. On huvitav muster, mille kohaselt mida massiivsem on must auk, seda väiksem on selle tihedus. Sel juhul toob massi muutus 11 suurusjärgu võrra kaasa tiheduse muutuse 22 suurusjärgu võrra. Seega on musta augu, mille mass on 1 ·10 9 päikesemassi, tihedus 18,5 kg/m³, mis on ühe võrra väiksem kulla tihedusest. Ja mustade aukude, mille mass on üle 10 10 päikesemassi, keskmine tihedus võib olla õhu tihedusest väiksem. Nende arvutuste põhjal on loogiline eeldada, et musta augu tekkimine ei toimu mitte aine kokkusurumise, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse. Kvantmustade aukude puhul võib nende tihedus olla umbes 10 94 kg/m³.
Ka musta augu temperatuur on pöördvõrdeline selle massiga. See temperatuur on otseselt seotud. Selle kiirguse spekter langeb kokku täiesti musta keha spektriga, see tähendab keha, mis neelab kogu langeva kiirguse. Musta keha kiirgusspekter sõltub ainult selle temperatuurist, siis saab musta augu temperatuuri määrata Hawkingi kiirgusspektrist. Nagu eespool mainitud, on see kiirgus seda võimsam, mida väiksem on must auk. Samal ajal jääb Hawkingi kiirgus hüpoteetiliseks, kuna astronoomid pole seda veel täheldanud. Sellest järeldub, et kui Hawkingi kiirgus on olemas, siis on vaadeldavate BH-de temperatuur nii madal, et see ei võimalda näidatud kiirgust tuvastada. Arvutuste kohaselt on isegi Päikese massi suurusjärgu suuruse augu temperatuur tühiselt väike (1 10 -7 K ehk -272°C). Kvantmustade aukude temperatuur võib ulatuda umbes 10 12 K-ni ja nende kiire aurustumisega (umbes 1,5 min) võivad sellised mustad augud eraldada energiat suurusjärgus kümme miljonit aatomipommi. Kuid õnneks nõuab selliste hüpoteetiliste objektide loomine 10 14 korda suuremat energiat kui täna suures hadronite põrgatis. Lisaks pole astronoomid kunagi selliseid nähtusi täheldanud.

Millest CHD koosneb?

Teine küsimus teeb murelikuks nii teadlasi kui ka lihtsalt astrofüüsikahuvilisi – millest must auk koosneb? Sellele küsimusele pole ühest vastust, sest pole võimalik vaadata kaugemale mis tahes musta auku ümbritsevast sündmuste horisondist. Lisaks, nagu varem mainitud, näevad musta augu teoreetilised mudelid ette ainult 3 selle komponenti: ergosfäär, sündmuste horisont ja singulaarsus. On loogiline eeldada, et ergosfääris on ainult need objektid, mida must auk tõmbas ja mis nüüd selle ümber tiirlevad - mitmesugused kosmilised kehad ja kosmiline gaas. Sündmuste horisont on vaid õhuke kaudne piir, mille ületamisel tõmbuvad samad kosmilised kehad pöördumatult musta augu viimase põhikomponendi – singulaarsuse – poole. Singulaarsuse olemust pole tänapäeval uuritud ja selle koostisest on veel vara rääkida.

Mõnede eelduste kohaselt võib must auk koosneda neutronitest. Kui järgida musta augu tekkimise stsenaariumi tähe kokkusurumisel neutrontäheks koos selle järgneva kokkusurumisega, siis tõenäoliselt moodustavad musta augu põhiosa neutronitest, millest neutrontäht. ise koosneb. Lihtsamalt öeldes: kui täht kokku kukub, surutakse selle aatomid kokku nii, et elektronid ühinevad prootonitega, moodustades seeläbi neutroneid. Selline reaktsioon toimub tõepoolest looduses, neutroni tekkega tekib neutriinode emissioon. Need on siiski vaid oletused.

Mis juhtub, kui satud musta auku?

Astrofüüsilisse musta auku kukkumine viib keha venitamiseni. Mõelge hüpoteetilisele enesetapu astronaudile, kes suundub musta auku ja kannab ainult skafandrit, jalad ees. Sündmushorisonti ületades ei märka astronaut mingeid muutusi, hoolimata sellest, et tal pole enam võimalust tagasi saada. Mingil hetkel jõuab astronaut punkti (veidi sündmuste horisondist tagapool), kus hakkab toimuma tema keha deformatsioon. Kuna musta augu gravitatsiooniväli on ebaühtlane ja seda kujutab tsentri poole suurenev jõugradient, siis avaldab astronaudi jalgu märgatavalt suurem gravitatsiooniefekt kui näiteks pea. Siis "kukkuvad" jalad gravitatsiooni või pigem loodete mõjul kiiremini. Seega hakkab keha järk-järgult venima pikkuses. Selle nähtuse kirjeldamiseks on astrofüüsikud välja mõelnud üsna loomingulise termini – spagetistamine. Keha edasine venitamine lagundab selle tõenäoliselt aatomiteks, mis varem või hiljem jõuavad singulaarsuseni. Võib vaid oletada, kuidas inimene end selles olukorras tunneb. Tasub teada, et keha venitamise mõju on pöördvõrdeline musta augu massiga. See tähendab, et kui kolme Päikese massiga BH venitab/murdab keha koheselt, on ülimassiivsel mustal augul madalamad loodete jõud ja on oletusi, et mõned füüsikalised materjalid võivad sellist deformatsiooni taluda ilma oma struktuuri kaotamata.

Nagu teate, voolab aeg massiivsete objektide läheduses aeglasemalt, mis tähendab, et enesetapu astronaudi jaoks kulub aeg palju aeglasemalt kui maalaste jaoks. Sel juhul võib-olla elab ta üle mitte ainult oma sõprade, vaid ka Maa enda. Arvutused on vajalikud selleks, et teha kindlaks, kui palju aeg astronaudi jaoks aeglustub, kuid ülaltoodu põhjal võib eeldada, et astronaut kukub musta auku väga aeglaselt ja ei pruugi lihtsalt näha hetke, mil tema keha hakkab deformeeruma. .

Tähelepanuväärne on see, et väljas oleva vaatleja jaoks jäävad kõik sündmuste horisonti üles lennanud kehad selle horisondi servale, kuni nende kujutis kaob. Selle nähtuse põhjuseks on gravitatsiooniline punanihe. Mõnevõrra lihtsustades võib öelda, et sündmuste horisondis "külmunud" enesetapuastronaudi kehale langev valgus muudab oma aeglustunud aja tõttu oma sagedust. Mida aeglasemalt aeg möödub, siis valguse sagedus väheneb ja lainepikkus suureneb. Selle nähtuse tulemusena nihkub valgus väljundis, see tähendab välise vaatleja jaoks, järk-järgult madala sageduse - punase - suunas. Toimub valguse nihe piki spektrit, sest enesetapjast astronaut liigub vaatlejast aina kaugemale, kuigi peaaegu märkamatult, ja tema aeg voolab aina aeglasemalt. Seega läheb tema kehalt peegelduv valgus peagi nähtavast spektrist kaugemale (pilt kaob) ning astronaudi keha saab edaspidi tuvastada vaid infrapunapiirkonnas, hiljem raadiosagedusalas ja selle tulemusena kiirgus on täiesti tabamatu.

Vaatamata eelpool kirjutatule eeldatakse, et väga suurtes ülimassiivsetes mustades aukudes ei muutu loodete jõud kaugusega nii palju ja mõjuvad langevale kehale peaaegu ühtlaselt. Sellisel juhul säilitaks langev kosmoselaev oma struktuuri. Tekib mõistlik küsimus – kuhu viib must auk? Sellele küsimusele saab vastata mõnede teadlaste töödega, mis seovad kaks sellist nähtust nagu ussiaugud ja mustad augud.

Juba 1935. aastal esitasid Albert Einstein ja Nathan Rosen, võttes arvesse hüpoteesi niinimetatud ussiaukude olemasolu kohta, mis ühendavad kaks aegruumi punkti viimase olulise kumerusega kohtades - Einstein-Roseni silla. või ussiauk. Sellise võimsa ruumikõveruse jaoks on vaja hiiglasliku massiga kehasid, mille rolliga mustad augud suurepäraselt hakkama saaksid.

Einstein-Roseni silda peetakse läbimatuks ussiauguks, kuna see on väike ja ebastabiilne.

Läbitav ussiauk on mustade ja valgete aukude teooria raames võimalik. Kus valge auk on musta auku sattunud teabe väljund. Valget auku kirjeldatakse üldrelatiivsusteooria raames, kuid tänapäeval jääb see hüpoteetiliseks ja seda pole veel avastatud. Ameerika teadlased Kip Thorne ja tema kraadiõppur Mike Morris pakkusid välja veel ühe ussiaugu mudeli, mis võib olla läbitav. Kuid nagu Morris-Thorni ussiaugu puhul, aga ka mustade ja valgete aukude puhul, eeldab reisimise võimalus nn eksootilise aine olemasolu, millel on negatiivne energia ja mis jääb samuti hüpoteetiliseks.

Mustad augud universumis

Mustade aukude olemasolu sai kinnitust suhteliselt hiljuti (september 2015), kuid juba enne seda oli mustade aukude olemuse kohta olemas palju teoreetilist materjali, aga ka palju musta augu rolli kandidaatobjekte. Esiteks tuleks arvesse võtta musta augu mõõtmeid, kuna neist sõltub nähtuse olemus:

tähemassi must auk. Sellised objektid tekivad tähe kokkuvarisemise tulemusena. Nagu varem mainitud, on sellise musta augu moodustamiseks võimelise keha minimaalne mass 2,5–3 päikesemassi.
Keskmassiga mustad augud. Tingimuslik vahepealne mustade aukude tüüp, mis on suurenenud lähedal asuvate objektide, näiteks gaaside kogunemise, naabertähe (kahe tähe süsteemides) ja muude kosmiliste kehade neeldumise tõttu.
Supermassiivne must auk. Kompaktsed objektid 10 5 -10 10 päikesemassiga. Selliste BH-de iseloomulikud omadused on paradoksaalselt madal tihedus ja nõrgad loodete jõud, millest oli varem juttu. See on ülimassiivne must auk meie Linnutee galaktika (Sagittarius A*, Sgr A*) ja ka enamiku teiste galaktikate keskel.

CHD kandidaadid

Lähim must auk, õigemini kandidaat musta augu rolli, on objekt (V616 Unicorn), mis asub Päikesest 3000 valgusaasta kaugusel (meie galaktikas). See koosneb kahest komponendist: tähest, mille mass on pool päikese massist, ja ka nähtamatust väikesest kehast, mille mass on 3-5 päikesemassi. Kui see objekt osutub väikeseks tähemassiga mustaks auguks, siis paremalt poolt on see lähim must auk.

Selle objekti järel on teine lähim must auk Cyg X-1 (Cyg X-1), mis oli esimene kandidaat musta augu rolli. Kaugus sellest on ligikaudu 6070 valgusaastat. Üsna hästi uuritud: selle mass on 14,8 päikesemassi ja sündmuste horisondi raadius on umbes 26 km.

Mõnede allikate väitel võib musta augu rolliks olla veel üks lähim kandidaat tähesüsteemis V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), mis asus 1999. aasta hinnangul 1600 valgusaasta kaugusel. Kuid järgnevad uuringud suurendasid seda vahemaad vähemalt 15 korda.

Mitu musta auku on meie galaktikas?

Sellele küsimusele pole täpset vastust, kuna neid on üsna raske jälgida ja kogu taeva uurimise ajal õnnestus teadlastel Linnutees avastada kümmekond musta auku. Arvutustesse laskumata märgime, et meie galaktikas on umbes 100–400 miljardit tähte ja umbes igal tuhandel tähel on piisavalt massi musta augu moodustamiseks. Tõenäoliselt võis Linnutee eksisteerimise ajal tekkida miljoneid musti auke. Kuna tohutuid musti auke on lihtsam registreerida, on loogiline eeldada, et enamik meie galaktika BH-sid ei ole ülimassiivsed. Tähelepanuväärne on, et NASA 2005. aasta uuringud viitavad galaktika keskme ümber tiirleva terve parve mustade aukude olemasolule (10-20 tuhat). Lisaks avastasid Jaapani astrofüüsikud 2016. aastal objekti lähedalt massiivse satelliidi * – musta augu, Linnutee tuuma. Selle keha väikese raadiuse (0,15 valgusaastat) ja tohutu massi (100 000 päikesemassi) tõttu viitavad teadlased, et see objekt on ka ülimassiivne must auk.

Meie galaktika tuum, Linnutee must auk (Sagittarius A *, Sgr A * või Sagittarius A *) on ülimassiivne ja selle mass on 4,31 10 6 päikesemassi ja raadius 0,00071 valgusaastat (6,25 valgustundi). ehk 6,75 miljardit km). Sagittarius A* temperatuur koos teda ümbritseva kobaraga on umbes 1 10 7 K.

Suurim must auk

Suurim must auk universumis, mida teadlased on suutnud tuvastada, on ülimassiivne must auk, FSRQ blazar, mis asub galaktika S5 0014+81 keskmes, 1,2·10 10 valgusaasta kaugusel Maast. Esialgsete vaatlustulemuste kohaselt oli Swifti kosmoseobservatooriumi abil musta augu mass 40 miljardit (40 10 9) päikesemassi ja sellise augu Schwarzschildi raadius 118,35 miljardit kilomeetrit (0,013 valgusaastat). Lisaks tekkis see arvutuste kohaselt 12,1 miljardit aastat tagasi (1,6 miljardit aastat pärast Suurt Pauku). Kui see hiiglaslik must auk ei ima endasse seda ümbritsevat ainet, siis elab ta kuni mustade aukude ajastuni – ühe universumi arengu ajastu, mille jooksul hakkavad selles domineerima mustad augud. Kui galaktika S5 0014+81 tuum jätkab kasvamist, saab sellest üks viimaseid musti auke, mis universumis eksisteerivad.

Ülejäänud kaks teadaolevat musta auku, kuigi nimetamata, on mustade aukude uurimisel suurima tähtsusega, kuna kinnitasid nende olemasolu eksperimentaalselt ning andsid olulisi tulemusi ka gravitatsiooni uurimisel. Jutt käib sündmusest GW150914, mida nimetatakse kahe musta augu kokkupõrkeks üheks. Sellel üritusel on lubatud registreerida.

Mustade aukude tuvastamine

Enne mustade aukude tuvastamise meetodite kaalumist tuleks vastata küsimusele – miks on must auk must? - vastus sellele ei nõua sügavaid teadmisi astrofüüsikast ja kosmoloogiast. Fakt on see, et must auk neelab kogu sellele langeva kiirguse ja ei kiirga üldse, kui te ei võta hüpoteetilist arvesse. Kui seda nähtust üksikasjalikumalt käsitleda, siis võib eeldada, et mustade aukude sees ei toimu protsesse, mis tooksid kaasa energia vabanemise elektromagnetkiirguse kujul. Siis kui must auk kiirgab, siis on see Hawkingi spektris (mis langeb kokku kuumutatud, absoluutselt musta keha spektriga). Kuid nagu varem mainitud, seda kiirgust ei tuvastatud, mis viitab mustade aukude täiesti madalale temperatuurile.

Teine üldtunnustatud teooria ütleb, et elektromagnetkiirgus ei ole üldse võimeline sündmuste horisondist lahkuma. Suure tõenäosusega massiivsed objektid footoneid (valgusosakesi) ei tõmba, kuna teooria kohaselt pole neil endil massi. Must auk aga "meelitab" ikkagi valguse footoneid aegruumi moonutuste kaudu. Kui kujutleme musta auku ruumis teatud süvendina aegruumi siledal pinnal, siis on musta augu keskpunktist teatav kaugus, millele lähenedes ei suuda valgus sellest enam eemalduda. . See tähendab, et jämedalt öeldes hakkab valgus "kukkuma" "auku", millel pole isegi "põhja".

Lisaks, kui võtta arvesse gravitatsioonilise punanihke mõju, on võimalik, et mustas augus olev valgus kaotab oma sageduse, nihkudes mööda spektrit madala sagedusega pikalainelise kiirguse piirkonda, kuni kaotab üldse energiat.

Niisiis, must auk on must ja seetõttu on seda ruumis raske tuvastada.

Tuvastamismeetodid

Mõelge meetoditele, mida astronoomid musta augu tuvastamiseks kasutavad:

Lisaks ülalmainitud meetoditele seostavad teadlased sageli selliseid objekte nagu mustad augud ja. Kvasarid on mõned kosmiliste kehade ja gaaside klastrid, mis kuuluvad universumi eredaimate astronoomiliste objektide hulka. Kuna neil on suhteliselt väikeste mõõtmete juures kõrge luminestsentsi intensiivsus, on alust arvata, et nende objektide keskpunkt on ülimassiivne must auk, mis tõmbab ümbritseva aine enda poole. Tänu sellisele võimsale gravitatsioonilisele külgetõmbejõule on tõmmatud aine nii kuumenenud, et kiirgab intensiivselt. Selliste objektide tuvastamist võrreldakse tavaliselt musta augu tuvastamisega. Mõnikord võivad kvasarid kiirata kuumutatud plasma jugasid kahes suunas – relativistlikke jugasid. Selliste jugade (jet) tekkepõhjused pole päris selged, kuid tõenäoliselt on need põhjustatud BH ja akretsiooniketta magnetvälja vastasmõjust ning neid ei kiirga otsene must auk.

Reaktiivlennuk M87 galaktikas tabab musta augu keskpunkti

Ülaltoodut kokku võttes võib lähedalt ette kujutada: see on sfääriline must objekt, mille ümber pöörleb tugevalt kuumutatud aine, moodustades helendava akretsiooniketta.

Mustade aukude ühinemine ja kokkupõrge

Üks huvitavamaid nähtusi astrofüüsikas on mustade aukude kokkupõrge, mis võimaldab tuvastada ka selliseid massiivseid astronoomilisi kehasid. Sellised protsessid pakuvad huvi mitte ainult astrofüüsikutele, kuna nende tulemuseks on nähtused, mida füüsikud on vähe uurinud. Selgeim näide on varem mainitud sündmus nimega GW150914, kui kaks musta auku lähenesid nii palju, et vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe tulemusena sulasid kokku üheks. Selle kokkupõrke oluline tagajärg oli gravitatsioonilainete tekkimine.

Gravitatsioonilainete definitsiooni järgi on tegemist muutustega gravitatsiooniväljas, mis levivad lainetaoliselt massiivsetelt liikuvatelt objektidelt. Kui kaks sellist objekti lähenevad üksteisele, hakkavad nad pöörlema ümber ühise raskuskeskme. Kui nad lähenevad üksteisele, suureneb nende pöörlemine ümber oma telje. Sellised gravitatsioonivälja muutlikud võnked võivad mingil hetkel moodustada ühe võimsa gravitatsioonilaine, mis võib kosmoses levida miljoneid valgusaastaid. Niisiis toimus 1,3 miljardi valgusaasta kaugusel kahe musta augu kokkupõrge, mis moodustas võimsa gravitatsioonilaine, mis jõudis Maale 14. septembril 2015 ja mille registreerisid LIGO ja VIRGO detektorid.

Kuidas mustad augud surevad?

Ilmselgelt peaks must auk lakkama eksisteerimast kaotama kogu oma massi. Tema määratluse kohaselt ei saa aga miski mustast august lahkuda, kui see on ületanud sündmuste horisondi. On teada, et esimest korda mainis nõukogude teoreetiline füüsik Vladimir Gribov oma arutelus teise nõukogude teadlase Jakov Zeldovitšiga musta augu poolt osakeste eraldumise võimalust. Ta väitis, et kvantmehaanika seisukohalt on must auk võimeline tunneliefekti kaudu osakesi kiirgama. Hiljem ehitas ta kvantmehaanika abil oma, mõnevõrra teistsuguse teooria, inglise teoreetilise füüsiku Stephen Hawkingi. Selle nähtuse kohta saate rohkem lugeda. Lühidalt öeldes on vaakumis nn virtuaalsed osakesed, mis sünnivad pidevalt paarikaupa ja hävitavad üksteist, samas ei suhtle ümbritseva maailmaga. Kuid kui sellised paarid tekivad musta augu sündmuste horisondis, on tugev gravitatsioon hüpoteetiliselt võimeline neid eraldama, kusjuures üks osake langeb musta auku ja teine läheb mustast august eemale. Ja kuna august eemale lennanud osakest saab vaadelda ja seetõttu on sellel positiivne energia, siis peab auku kukkunud osake olema negatiivse energiaga. Seega kaotab must auk oma energia ja tekib efekt, mida nimetatakse musta augu aurustumiseks.

Vastavalt olemasolevatele musta augu mudelitele, nagu varem mainitud, muutub selle massi vähenedes selle kiirgus intensiivsemaks. Seejärel, musta augu olemasolu viimases etapis, kui seda võidakse vähendada kvantmusta augu suuruseks, vabastab see kiirguse kujul tohutul hulgal energiat, mis võib olla võrdväärne tuhandete või isegi miljoneid aatomipomme. See sündmus meenutab mõneti musta augu plahvatust, nagu seesama pomm. Arvutuste kohaselt võisid ürgsed mustad augud sündida Suure Paugu tagajärjel ja need, mille mass on suurusjärgus 10 12 kg, peaksid umbes meie ajal aurustuma ja plahvatama. Olgu kuidas on, aga selliseid plahvatusi pole astronoomid kunagi näinud.

Hoolimata Hawkingi pakutud mehhanismist mustade aukude hävitamiseks, põhjustavad Hawkingi kiirguse omadused kvantmehaanika raames paradoksi. Kui must auk neelab mõne keha ja seejärel kaotab selle keha neeldumisel tekkiva massi, siis olenemata keha olemusest ei erine must auk sellest, mis ta oli enne keha neeldumist. Sel juhul kaob teave keha kohta igaveseks. Teoreetiliste arvutuste seisukohalt ei vasta algse puhta oleku muundumine tekkivasse segaolekusse (“termiliseks”) praegusele kvantmehaanika teooriale. Seda paradoksi nimetatakse mõnikord teabe kadumiseks mustas augus. Sellele paradoksile pole kunagi leitud tõelist lahendust. Tuntud võimalused paradoksi lahendamiseks:

Hawkingi teooria vastuolu. See toob kaasa musta augu hävitamise võimatuse ja selle pideva kasvu.
Valgete aukude olemasolu. Sel juhul neeldunud informatsioon ei kao, vaid visatakse lihtsalt teise Universumi välja.
Üldtunnustatud kvantmehaanika teooria ebaühtlus.

Musta augu füüsika lahendamata probleem

Kõige varem kirjeldatu põhjal otsustades on mustadel aukudel, kuigi neid on uuritud suhteliselt pikka aega, siiski palju tunnuseid, mille tekkemehhanisme teadlased siiani ei tea.

1970. aastal sõnastas üks inglise teadlane nn. "kosmilise tsensuuri põhimõte" - "Loodus jälestab paljast singulaarsust." See tähendab, et singulaarsus tekib ainult vaate eest varjatud kohtades, näiteks musta augu keskpunktis. Seda põhimõtet pole aga veel tõestatud. Samuti on olemas teoreetilised arvutused, mille järgi võib tekkida "alasti" singulaarsus.
Tõestust pole leidnud ka “no-hair teoreem”, mille kohaselt mustadel aukudel on vaid kolm parameetrit.
Musta augu magnetosfääri täielikku teooriat pole välja töötatud.
Gravitatsioonilise singulaarsuse olemust ja füüsikat ei ole uuritud.
Pole täpselt teada, mis juhtub musta augu eksisteerimise viimases staadiumis ja mis jääb alles pärast selle kvantlagunemist.

Huvitavad faktid mustade aukude kohta

Ülaltoodut kokku võttes võime esile tuua mitmeid huvitavaid ja ebatavalisi mustade aukude olemuse tunnuseid:

Mustadel aukudel on ainult kolm parameetrit: mass, elektrilaeng ja nurkimment. Selle keha nii väikese arvu omaduste tõttu nimetatakse seda väitvat teoreemi "juusteta teoreemiks". Siit tuli ka väljend “mustal augul pole juukseid”, mis tähendab, et kaks musta auku on absoluutselt identsed, nende kolm mainitud parameetrit on samad.
Mustade aukude tihedus võib olla väiksem kui õhu tihedus ja temperatuur on absoluutse nulli lähedal. Sellest lähtuvalt võime eeldada, et musta augu teke ei toimu mitte aine kokkusurumise, vaid suure hulga aine kogunemise tulemusena teatud ruumalasse.
Mustade aukude neeldunud kehade aeg läheb palju aeglasemalt kui välisvaatlejal. Lisaks on neeldunud kehad musta augu sees märkimisväärselt venitatud, mida teadlased on nimetanud spagetatsiooniks.
Meie galaktikas võib olla umbes miljon musta auku.
Tõenäoliselt on iga galaktika keskmes ülimassiivne must auk.
Tulevikus jõuab Universum teoreetilise mudeli järgi nn mustade aukude ajastusse, mil mustadest aukudest saavad Universumis domineerivad kehad.

Kui inimene hakkas kosmost uurima, puutus ta kokku salapärase nähtusega. Seda nimetatakse "mustaks auguks". Selgub, et aegruumis on teatud piirkond, millel on suur gravitatsiooniline külgetõmme. Seetõttu ei pääse isegi valguse kiirusel liikuvad objektid sellest välja.

Me räägime valguse kvantidest. Need alad on tõeliselt mustad, neelavad endasse kõik ümberringi ega lase kunagi lahti. Nende olemuse ja võimaluste kohta võime vaid oletada ning selle nähtuse kohta teabe puudumine tekitab mõningaid müüte.

Müüdid mustade aukude kohta

Albert Einstein oli esimene, kes teatas mustade aukude olemasolust. Näib, kes, kui mitte see suur teadlane, aja ja ruumi teoreetik, peaks kuulutama mustade aukude olemasolu? Tegelikult ei olnud ta esimene, kes sellise oletuse tegi, vaid John Mitchell. See juhtus aastal 1783, samas kui Einstein lõi oma teooria 1916. aastal. Kuid neil päevil osutus teooria taotlemata, inglise preester Mitchell lihtsalt ei leidnud sellele rakendust. Ta ise hakkas mõtlema mustade aukude peale, aktsepteerides Newtoni teooriat valguse olemuse kohta. Neil päevil usuti, et see koosneb väikseimatest materjaliosakestest, footonitest. Nende liikumisele mõeldes mõistis Mitchell, et see sõltub täielikult tähe gravitatsiooniväljast, kust osakesed oma teekonda alustavad. Teadlane mõtles, mis juhtuks footonitega, kui gravitatsiooniväli oleks nii suur, et see ei eraldaks üldse valgust. Huvitaval kombel peetakse Mitchelli meie tuntud seismoloogia rajajaks. Esimesena soovitas inglise preester. Et maavärinad levisid lainetena üle pinna.

Mustad tähed ei neela ruumi. Ruumi võib pidada kummileheks. Siis on planeedid mingid pallid, mis avaldavad talle survet. Selle tulemusena tekib deformatsioon ja sirgjooned kaovad. Nii ilmneb gravitatsioon, mis seletab planeetide liikumist tähtede ümber. Massi suurenemisega deformatsioon ainult suureneb. Ilmuvad täiendavad välja häired, mis määravad tõmbejõu. Orbiidi kiirused suurenevad, mis tähendab kehade üha kiiremat liikumist objekti ümber. Näiteks planeet Merkuur liigub ümber Päikese kiirusega 48 km/s ja tähed liiguvad kosmoses mustade aukude läheduses 100 korda kiiremini! Tugeva gravitatsioonijõu korral on võimalik satelliidi ja suuremate objektide kokkupõrge. Ja kogu see mass kipub keskele – musta auku.

Kõik mustad augud on ühesugused. Paljudele meist tundub, et see termin kuulub objektide juurde, mis on sisuliselt samad. Astronoomid on aga jõudnud järeldusele, et musti auke on mitut sorti. On auke, mis pöörlevad, mõnel on elektrilaeng ja on neid, millel on mõlemad omadused. Tavaliselt ilmuvad sellised objektid ainet neelates, samas kui pöörlev must auk tekib kahe tavalise ühinemisel. Sellised moodustised hakkavad ruumi suurenenud häirimise tõttu tarbima palju rohkem energiat. Laetud must auk muutub üheks tohutuks osakeste kiirendiks. Klassikaline näide selle klassi objektist on GRS 1915+105. See must auk pöörleb kiirusega 950 pööret sekundis ja see asub meie planeedist 35 000 valgusaasta kaugusel.

Mustade aukude tihedus on madal. Need objektid peavad oma suuruse tõttu olema väga rasked, et tekitada atraktiivset jõudu valguse hoidmiseks. Seega, kui Maa mass suruda kokku musta augu tiheduseni, saate 9-millimeetrise läbimõõduga palli. Tume objekt, mille mass on 4 miljonit korda suurem kui Päike, võiks mahtuda Merkuuri ja meie tähe vahele. Need mustad augud, mis asuvad galaktikate keskmes, võivad kaaluda 10-30 miljonit korda rohkem kui Päike. Selline suurejooneline mass suhteliselt väikeses mahus tähendab, et mustadel aukudel on tohutu tihedus ja sees toimuvad protsessid on väga tugevad.

Mustad augud on väga vaiksed. Raske on ette kujutada, et ka tohutu tume objekt, mis imes endasse kõike ümberringi, oli samuti lärmakas. Tegelikult liigub kõik, mis sellesse kuristikku kukub, pideva kiirendusega. Selle tulemusena kiirendatakse aegruumi piiril, mida valguse kiiruse lõplikkuse tõttu veel tunneme, osakesi peaaegu valguse kiiruseni. Kui aine hakkab liikuma oma piirava kiirusega, kostab vulisev heli. See on liikumisenergia helilaineteks muutmise tagajärg. Selle tulemusena osutub must auk väga mürarikkaks objektiks. 2003. aastal suutsid kosmosepõhises Chandra röntgenobservatooriumis töötavad astronoomid tuvastada massiivsest mustast august lähtuvaid helilaineid. Kuid see asub meist 250 miljoni valgusaasta kaugusel, mis näitab veel kord selliste objektide müra.

Miski ei pääse mustade aukude ligitõmbamisest. See väide on õige. Lõppude lõpuks, kui mõned suured või väikesed objektid on musta augu läheduses, püütakse need kindlasti selle gravitatsiooniväljaga kinni. Samal ajal võib see olla nii väike osake kui ka planeet, täht või isegi galaktika. Kui aga seda objekti mõjutab jõud, mis on suurem kui musta augu külgetõmbejõud, suudab see vältida surmavangistust. See võib olla näiteks rakett. Kuid see on võimalik enne, kui objekt jõuab sündmuste horisonti, kui valgus võib veel vangistusest välja pääseda. Pärast seda piiri on võimatu põgeneda kõikehõlmava kosmosekoletise embusest. Horisondist kaugemale pääsemiseks on ju vaja arendada valguse kiirusest suuremat kiirust. Ja see on võimatu isegi teoreetiliselt. Seega on mustad augud tõeliselt mustad – kuna valgus ei pääse kunagi välja, ei saa me selle salapärase objekti sisse vaadata. Teadlased usuvad, et isegi väike must auk rebib tahtmatu vaatleja osakesteks enne sündmuste horisonti jõudmist. Tõmbejõud ei kasva mitte ainult siis, kui läheneme planeedi ja tähe keskpunktile, vaid ka musta augu suunas. Kui lennutate kõigepealt jalad selle poole, siis on gravitatsioonijõud jalgades palju suurem kui peas ja viib keha kohese rebenemiseni.

Mustad augud ei muuda aega. Valgus käib ümber sündmuste horisondi, kuid lõpuks tungib see sisse ja kaob olematusse. Mis saab siis kellaga, kui see kukub musta auku ja jätkab seal tööd? Sündmuste horisondile lähenedes hakkavad nad aeglustuma, kuni lõpuks peatuvad. Sellist aja peatumist seostatakse selle gravitatsioonilise aeglustumisega, mis seletab Einsteini relatiivsusteooriat. Mustal augul on nii suur gravitatsioonijõud, et see võib aega aeglustada. Kella seisukohast ei muutu midagi, kuid see kaob vaateväljast ja sellest tulev valgus venib raske eseme mõjul. Valgus hakkab liikuma punasesse spektrisse, selle lainepikkus suureneb. Selle tulemusena muutub ta lõpuks nähtamatuks.

Must auk ei tooda energiat. On teada, et need objektid tõmbavad endasse kogu ümbritseva massi. Teadlased viitavad sellele, et kõik sees on kokku surutud nii palju, et isegi aatomitevaheline ruum väheneb. Selle tulemusena sünnivad subatomaarsed osakesed, mis võivad välja lennata. Selles aitavad neid magnetvälja jõujooned, mis ületavad sündmuste horisondi. Selle tulemusena tekitab selliste osakeste vabanemine energiat ja meetod ise on üsna tõhus. Massi muundamine energiaks annab sel juhul 50 korda suurema tulu kui tuumasünteesi käigus. Must auk ise näib olevat tohutu reaktor.

Tähtede ja mustade aukude arvu vahel pole seost. Kunagi ütles kuulus astrofüüsik Carl Sagan, et universumis on rohkem tähti kui liivaterasid kogu maailma randades. Teadlased usuvad, et see arv on endiselt lõplik ja on 10 astmega 22. Mis on sellel pistmist mustade aukudega? Nende arv määrab tähtede arvu. Selgub, et mustade objektide poolt vabanevad osakeste vood paisuvad mingisugusteks mullideks, mis võivad levida läbi tähtede tekkekohtade. Need alad paiknevad gaasipilvedes, mis jahutamisel tekitavad valgusteid. Ja osakeste vood soojendavad gaasipilvi ja takistavad uute tähtede ilmumist. Tänu sellele on mustade aukude aktiivsuse ja universumi tähtede arvu vahel pidev tasakaal. Lõppude lõpuks, kui galaktikas on liiga palju tähti, siis osutub see liiga kuumaks ja plahvatusohtlikuks, seal on elul raske tekkida. Ja vastupidi, ka väike arv tähti ei aita elul tekkida.

Mustad augud on erinevast materjalist kui meie. Paljud teadlased usuvad, et mustad augud aitavad kaasa uute elementide sünnile. Ja seda saab mõista, arvestades aine jagunemist väikseimateks subatomaarseteks osakesteks. Seejärel osalevad nad tähtede moodustamises, mis lõpuks viib heeliumist raskemate elementide ilmumiseni. Me räägime süsinikust ja rauast, mis on vajalikud tahkete planeetide ilmumiseks. Selle tulemusena on need elemendid osa kõigest, millel on mass, see tähendab inimene ise. Tõenäoliselt on meie keha tõeline ehitaja mõni kauge must auk.

Olemasolevad ideed mustade aukude kohta põhinevad teoreemidel, mis on tõestatud kollektorite diferentsiaalgeomeetria abil. Teooria tulemuste esitlus on raamatutes olemas ja me neid siin kordama ei hakka. Viidates lugejale üksikasjade saamiseks monograafiate ja kogumike, aga ka originaaldokumentide ja ülevaadete kohta, piirdume lühidalt peamiste sätetega, mis on mustade aukude kaasaegsete ideede aluseks.

Einsteini võrrandite kõige üldisemal vaakumlahenduste perekonnal, mis kirjeldab statsionaarseid asümptootiliselt tasaseid aegruumi, millel on mitteainsuse sündmuste horisont ja mis on korrapärased kõikjal väljaspool horisonti, on aksiaalse sümmeetriaga ja langeb kokku kaheparameetrilise Kerri perekonnaga. Kaks sõltumatut parameetrit ja a määravad musta augu massi ja nurkimpulsi. Seda väidet toetavad teoreemid formuleeriti mittepöörleva musta augu töödes ja üldistati aastal Kerri meetrikale. Einsteini musti auke kirjeldavate mittevaakumvõrrandite lahendeid saab iseloomustada suure hulga parameetritega. Seega on Einsteini-Maxwelli võrrandisüsteemi puhul loetletud omadused Kerr-Newmani lahenduste perekonnal, millel on neli parameetrit, kus elektri-, magnetlaenguid, selle perekonna unikaalsust tõestati aastal. Einstein-Yang-Millsi võrrandisüsteemile on lahendused, mis kirjeldavad mõõte- (värvi-) laenguid kandvaid musti auke, aga ka spontaanselt katkenud sümmeetriaga Einstein-Yang-Mills-Higgsi süsteem, mis kirjeldab sündmuse all peidetud punkt-gravitatsiooni monopooluseid ja dioone. horisont. Laiendatud supergravitatsioonis on leitud lahendusi, mis kirjeldavad äärmiselt laetud fermioonse struktuuriga musti auke. On oluline, et kõik loetletud lahendused oleksid tuntud nullmassiga väljade kohta, millel ei saa olla musta augu massiivseid välisvälju.

Kerr-Newmani väli

Lükkades magnet- ja gabariidilaengutega lahenduste arutelu kuni § 18, vaatleme lähemalt Kerr-Newmani lahendust, mis kirjeldab pöörlevat elektrilaengut.

must auk. Boyeri-Lindqvisti koordinaatides on aegruumi intervalli ruut kuju

kus võetakse kasutusele standardtähistus

Seosega määratletud elektromagnetvälja 4-potentsiaal (-vorm).

for ei erine Minkowski ruumi punktlaengu potentsiaalist. Täiendav liige, mis on võrdeline a-ga, langeb ruumilises lõpmatuses kokku magnetdipooli potentsiaaliga Kontravariantse meetrilise tensori nullist erinevad komponendid on

Kerr-Newmani mõõdiku jaoks on kolmkümmend nullist erinevat Christoffeli sümbolit, millest kakskümmend kaks on paarikaupa võrdsed

kus märgitud

Christoffeli sümbolid on isegi erinevusfunktsioonid ja ei kao Kerri meetrika ekvatoriaaltasandil. Ülejäänud ühenduvuskomponendid on tasapinnal peegeldumise suhtes paaritud, kus nad omandavad nullväärtused. Seda on kasulik meeles pidada osakeste liikumise võrrandite lahendamisel.

Elektromagnetvälja tensori nullist erinevad komponendid on võrdsed

mis vastab Coulombi välja ja magnetdipoolvälja superpositsioonile.

Jooneelement (1) ei sõltu koordinaatidest, seega vektoritest

on tapmisvektorid, mis tekitavad ajas nihkeid ja pöördeid ümber sümmeetriatelje. Tapmisvektorid ja ei ole üksteise suhtes ortogonaalsed

Elektromagnetvälja sümmeetria Killingi vektorite antud teisenduste suhtes väljendub 4-potentsiaali (3) Lie tuletise võrdsuses nulliga piki vektorvälju (8),

Ajavektor on ebavõrdsusega piiratud piirkonnas sarnane

ja muutub ergosfääri pinnal isotroopseks

mis on revolutsiooni ellipsoid. Ergosfääri sees on vektor ruumisarnane, kuid seal on tapmisvektorite lineaarne kombinatsioon

mis on ajataoline tapmise vektor ergosfääri sees, kui ebavõrdsus

Pind, millel need ühinevad, on sündmuste horisont, selle asukoha määrab võrrandi suur juur

kust me leiame kus

Väärtus mängib horisondi pöörlemise nurkkiiruse rolli; vastavalt üldteoreemile ei sõltu see nurgast

Sündmuste horisont on isotroopne hüperpind, mille ruumilisel lõigul on sfääri topoloogia. Horisondi kahemõõtmelise pinna pindala arvutatakse valemiga

mis viib tulemuseni

Hawkingi teoreemi kohaselt ei saa musta augu sündmuste horisondi pindala väheneda, mis on sukeldatud materiaalsesse keskkonda, mille energia-impulsi tensor rahuldab energia domineerimise tingimusi. Ava mass ja pöörlemismoment võivad individuaalselt väheneda, samas kui pöörlemismomendi täielikult kaotades osutub musta augu mass vähemalt

mida on nimetatud musta augu "taandamatuks" massiks. Sündmuse horisondi pindala mittekahanemise seadusel on ühine olemus entroopia suurenemise seadusega, seda võib seostada sündmuste horisondi all oleva aine oleku kohta teabe kadumisega. Kui mustal augul neid poleks

entroopia, siis näiteks kuumutatud gaasi neeldumine avakosmoses tooks kaasa entroopia vähenemise. Kvantkaalutluste esilekutsumine välistab termodünaamika teise seadusega vastuolus oleva ohu, sest selgub, et kvantgravitatsioonis on musta augu entroopia tõepoolest võrdeline sündmuse horisondi pindalaga (21) ühikutes. Plancki pikkuse ruut

See vastab ka varasematele arvutustele poolklassikalise teooria raames osakeste tootmise mõju kohta mustades aukudes. Musta augu ja neelduva aine summaarne entroopia sel juhul ei vähene, kuna musta augu mass (ja võib-olla ka pöörlemismoment) neeldumise käigus suureneb, mille tulemusena suureneb selle pind. sündmuste horisont suureneb. Tuleb märkida, et (23) nimetaja on äärmiselt väike, seetõttu muutub horisondi pindala makroskoopilise muutusega musta augu entroopia väga suure väärtusega.

Sündmushorisondil on 4-potentsiaali komponentide lineaarne kombinatsioon konstantne, millel on horisondiga koos pöörleva vaatleja jaoks horisondi elektrostaatilise potentsiaali tähendus.

Konstantne on ka suurus, mida nimetatakse musta augu "pinnagravitatsiooniks" ja mis on muutumatul kujul võrdne horisondil puhkeolekus oleva osakese kiirendusega (koordinaataja ühikutes).