L'univers sans limites est plein de secrets, d'énigmes et de paradoxes. Bien que la science moderne ait fait un énorme bond en avant dans l'exploration de l'espace, une grande partie de ce vaste monde reste incompréhensible pour la perception humaine du monde. Nous en savons beaucoup sur les étoiles, les nébuleuses, les amas et les planètes. Cependant, dans l'immensité de l'univers, il existe de tels objets, dont nous ne pouvons que prédire l'existence. Par exemple, nous savons très peu de choses sur les trous noirs. Les informations de base et les connaissances sur la nature des trous noirs reposent sur des hypothèses et des conjectures. Astrophysiciens, les scientifiques du nucléaire luttent contre ce problème depuis plus de douze ans. Qu'est-ce qu'un trou noir dans l'espace? Quelle est la nature de tels objets?
En parlant de trous noirs dans un langage simple
Pour imaginer à quoi ressemble un trou noir, il suffit de voir la queue du train entrer dans le tunnel. Les feux de signalisation sur le dernier wagon au fur et à mesure que le train s'enfonce dans le tunnel diminuent de taille jusqu'à disparaître complètement de la vue. En d'autres termes, ce sont des objets où, en raison d'une attraction monstrueuse, même la lumière disparaît. Les particules élémentaires, les électrons, les protons et les photons ne sont pas en mesure de surmonter la barrière invisible, ils tombent dans l'abîme noir de la non-existence. Un tel trou dans l'espace a donc été appelé noir. Il n'y a pas la moindre zone de lumière à l'intérieur, une noirceur solide et l'infini. Ce qui est de l'autre côté du trou noir est inconnu.
Cet aspirateur spatial a une gravité énorme et est capable d'absorber toute une galaxie avec tous les groupes et super-groupes d'étoiles, avec les nébuleuses et la matière noire en plus. Comment est-ce possible? Il ne reste plus qu'à deviner. Les lois de la physique que nous connaissons dans ce cas s’éclatent et ne permettent pas d’expliquer les processus en cours. L'essence du paradoxe est que dans cette partie de l'univers, l'interaction gravitationnelle des corps est déterminée par leur masse. Le processus d'absorption par un objet d'un autre n'est pas affecté par leur composition qualitative et quantitative. Les particules, ayant atteint une quantité critique dans une certaine zone, entrent dans un autre niveau d’interaction, où les forces gravitationnelles deviennent des forces d’attraction. Le corps, l'objet, la substance ou la matière sous l'influence de la gravité commence à se contracter, atteignant une densité énorme.
Approximativement, de tels processus se produisent lors de la formation d'une étoile à neutrons, où une matière stellaire sous l'influence de la gravité interne est comprimée en volume. Les électrons libres se combinent aux protons pour former des particules électriquement neutres - des neutrons. La densité de cette substance est énorme. Une particule de matière de la taille d'un morceau de sucre raffiné pèse des milliards de tonnes. Il convient ici de rappeler la théorie générale de la relativité, où l’espace et le temps sont des quantités continues. Par conséquent, le processus de compression ne peut pas être arrêté à mi-chemin et n'a donc aucune limite.
Potentiellement, un trou noir ressemble à un trou dans lequel il peut y avoir une transition d'un segment de l'espace à un autre. Dans le même temps, les propriétés de l'espace et du temps changent, se transformant en un entonnoir d'espace-temps. En atteignant le fond de cet entonnoir, toute matière tombe dans des quanta. Qu'y a-t-il de l'autre côté du trou noir, ce trou géant? Peut-être existe-t-il un autre espace où d'autres lois s'appliquent et où le temps s'écoule dans le sens opposé.
Dans le contexte de la théorie de la relativité, la théorie d'un trou noir est la suivante. Le point de l'espace, où les forces de gravitation ont réduit toute matière à la taille microscopique, possède une force d'attraction énorme, dont l'ampleur augmente à l'infini. Un pli du temps apparaît et l'espace est plié, se fermant à un moment donné. Les objets absorbés par un trou noir ne sont pas capables de résister à la force de cet aspirateur monstrueux. Même la vitesse de la lumière, que possèdent les quanta, ne permet pas aux particules élémentaires de vaincre la force d’attraction. Tout corps qui a atteint un tel point cesse d'être un objet matériel, se confondant avec la bulle espace-temps.
Les trous noirs de la science
Si vous demandez, comment se forment les trous noirs? Réponse définitive ne sera pas. Il y a beaucoup de paradoxes et de contradictions dans l'univers qui ne peuvent pas être expliqués du point de vue de la science. La théorie de la relativité d'Einstein permet seulement d'expliquer théoriquement la nature de tels objets, mais dans ce cas, la mécanique quantique et la physique sont silencieuses.
En essayant d’expliquer les processus se déroulant selon les lois de la physique, l’image sera la suivante. L'objet est formé à la suite de la contraction gravitationnelle colossale d'un corps cosmique massif ou supermassif. Ce processus a un nom scientifique - effondrement gravitationnel. Le terme "trou noir" a été utilisé pour la première fois dans la communauté scientifique en 1968, lorsque l'astronome et physicien américain John Wheeler a tenté d'expliquer l'état de l'effondrement stellaire. Selon sa théorie, à la place d'une étoile massive soumise à un effondrement gravitationnel, il se produit une défaillance spatiale et temporelle dans laquelle interviennent des compressions en croissance constante. Tout ce dont l'étoile était faite va à l'intérieur de lui-même.
Cette explication nous permet de conclure que la nature des trous noirs n’a aucun lien avec les processus se déroulant dans l’Univers. Tout ce qui se passe à l'intérieur de cet objet ne se reflète en aucune manière sur l'espace environnant avec un «MAIS». La force gravitationnelle d'un trou noir est si forte qu'elle plie l'espace, forçant les galaxies à tourner autour des trous noirs. En conséquence, la raison pour laquelle les galaxies prennent la forme de spirales devient claire. On ignore combien de temps faudra l'énorme galaxie de la Voie lactée pour disparaître dans l'abîme d'un trou noir supermassif. Un fait curieux est que les trous noirs peuvent se produire n'importe où dans l'espace, où les conditions idéales sont créées pour cela. Un tel pli de temps et d'espace élimine les vitesses énormes avec lesquelles les étoiles tournent et se déplacent dans l'espace de la galaxie. Le temps dans un trou noir coule dans une autre dimension. À l'intérieur de cette zone, aucune loi de gravité n'est interprétable du point de vue de la physique. Cet état s'appelle la singularité du trou noir.
Les trous noirs ne montrent aucun signe d'identification externe, leur existence peut être jugée par le comportement d'autres objets de l'espace affectés par des champs gravitationnels. L’ensemble de la lutte pour la vie et la mort se déroule au bord d’un trou noir recouvert d’une membrane. Cette surface imaginaire de l'entonnoir s'appelle "l'horizon des événements". Tout ce que nous voyons à cette frontière est tangible et matériel.
Scénarios de trous noirs
En développant la théorie de John Wheeler, nous pouvons conclure que le secret des trous noirs n’est probablement pas en train de se former. La formation d'un trou noir résulte de l'effondrement d'une étoile à neutrons. De plus, la masse d'un tel objet doit dépasser la masse du Soleil trois fois ou plus. L'étoile à neutrons rétrécit jusqu'à ce que sa propre lumière ne soit plus en mesure de se libérer de l'étreinte étroite de la gravité. Il existe une limite de taille à laquelle une étoile peut se réduire, donnant naissance à un trou noir. Ce rayon s'appelle le rayon de gravitation. Les étoiles massives au stade final de leur développement devraient avoir un rayon de gravitation de plusieurs kilomètres.
Aujourd'hui, les scientifiques ont obtenu des preuves indirectes de la présence de trous noirs dans une douzaine d'étoiles binaires à rayons X. Les étoiles à rayons X, un pulsar ou un calculateur n'ont pas de surface solide. De plus, leur masse est supérieure à la masse des trois Soleils. L’état actuel de l’espace extra-atmosphérique dans la constellation du Cygne - l’étoile aux rayons X Cygnus X-1, permet de retracer la formation de ces objets curieux.
Sur la base de recherches et d’hypothèses théoriques, il existe aujourd’hui dans la science quatre scénarios pour la formation d’étoiles noires:
- effondrement gravitationnel d'une étoile massive au stade final de son évolution;
- l'effondrement de la région centrale de la galaxie;
- la formation de trous noirs dans le processus du Big Bang;
- la formation de trous noirs quantiques.
Le premier scénario est le plus réaliste, mais le nombre d’étoiles noires que nous connaissons aujourd’hui dépasse le nombre d’étoiles à neutrons connues. Et l’ère de l’Univers n’est pas si grande que tant d’étoiles massives pourraient suivre tout le processus d’évolution.
Le second scénario a le droit de vivre, et il existe un exemple frappant: le trou noir supermassif Sagittarius A *, niché au centre de notre galaxie. La masse de cet objet est 3.7 masse de soleil. Le mécanisme de ce scénario est similaire à celui d'un effondrement gravitationnel, à la seule différence qu'un gaz interstellaire, plutôt qu'une étoile, est sujet à un effondrement. Sous l'influence des forces de gravitation, le gaz est comprimé jusqu'à atteindre une masse et une densité critiques. Au moment critique, la matière se désintègre en quanta, formant un trou noir. Cependant, cette théorie est douteuse, car des astronomes de l’Université de Columbia ont récemment identifié les satellites des trous noirs Satellites A *. Ils se sont avérés être de nombreux petits trous noirs, qui ont probablement été formés d’une autre manière.
Le troisième scénario est plus théorique et est associé à l’existence de la théorie du Big Bang. Au moment de la formation de l'univers, une partie de la matière et des champs gravitationnels ont subi des fluctuations. En d'autres termes, les processus ont évolué différemment, sans lien avec les processus connus de la mécanique quantique et de la physique nucléaire.
Ce dernier scénario est axé sur la physique d’une explosion nucléaire. Dans les caillots de matière en train de réagir à des réactions nucléaires sous l’effet de forces gravitationnelles, il se produit une explosion à la place de laquelle se forme un trou noir. La matière explose vers l'intérieur, absorbant toutes les particules.
L'existence et l'évolution des trous noirs
Avoir une idée approximative de la nature de tels objets spatiaux étranges, autre chose est intéressante. Quelles sont les véritables dimensions des trous noirs, à quelle vitesse grandissent-ils? La taille des trous noirs est déterminée par leur rayon de gravité. Pour les trous noirs, le rayon d'un trou noir est déterminé par sa masse et s'appelle le rayon de Schwarzschild. Par exemple, si un objet a une masse égale à la masse de notre planète, le rayon de Schwarzschild est dans ce cas de 9 mm. Notre corps principal a un rayon de 3 km. La densité moyenne d'un trou noir formé à la place d'une étoile avec une masse de 10⁸ de la masse du Soleil sera proche de la densité de l'eau. Le rayon de cette éducation sera de 300 millions de kilomètres.
Il est probable que de tels trous noirs géants soient situés au centre des galaxies. À ce jour, 50 galaxies sont connues, au centre desquelles se trouvent d'énormes puits temporaires et spatiaux. La masse de ces géants est des milliards la masse du Soleil. On ne peut qu'imaginer quelle force d'attraction colossale et monstrueuse a un tel trou.
Quant aux petits trous, ce sont des mini-objets dont le rayon atteint des valeurs insignifiantes, seulement 10 ¹ ² cm. La masse d’une telle miette est de 10 gr. De telles formations ont vu le jour à l’époque du Big Bang, mais avec le temps, elles se sont agrandies et s’affichent aujourd’hui dans l’espace sous forme de monstres. Les scientifiques ont tenté de recréer dans des conditions de terrain les conditions dans lesquelles se sont formés les petits trous noirs. À cette fin, des expériences sont menées dans des collisionneurs d’électrons, grâce auxquels les particules élémentaires sont accélérées à la vitesse de la lumière. Les premières expériences ont permis d’obtenir en laboratoire un plasma de quark-gluon - matière, qui existait à l’aube de la formation de l’Univers. De telles expériences suggèrent qu'un trou noir sur Terre est une question de temps. Une autre chose est de savoir si un tel accomplissement de la science humaine deviendra une catastrophe pour nous et pour notre planète. En créant un trou artificiellement noir, nous pouvons ouvrir la boîte de Pandore.
Des observations récentes d'autres galaxies ont permis aux scientifiques de découvrir des trous noirs, dont la taille dépasse toutes les attentes et hypothèses imaginables. L'évolution qui se produit avec de tels objets nous permet de mieux comprendre comment la masse de trous noirs se développe, quelle est sa limite réelle. Les scientifiques ont conclu que tous les trous noirs connus avaient atteint leur taille réelle en 13-14 milliards d'années. La différence de taille est due à la densité de l'espace environnant. Si un trou noir a suffisamment de nourriture à portée de gravité, il se développe comme une levure et atteint une masse de centaines et de milliers de masses solaires. D'où les dimensions gigantesques de tels objets situés au centre des galaxies. Une grappe massive d'étoiles, d'énormes masses de gaz interstellaire constituent une source de croissance importante. Lorsque les galaxies fusionnent, les trous noirs peuvent fusionner pour former un nouvel objet supermassif.
À en juger par l’analyse des processus évolutifs, il est habituel de distinguer deux classes de trous noirs:
- objets d'une masse égale à 10 fois la masse solaire;
- objets massifs, dont la masse est des centaines de milliers, milliards de masses solaires.
Il existe des trous noirs d'une masse moyenne de 100 à 10 000 fois la masse du Soleil, mais leur nature est encore inconnue. Il y a environ un tel objet par galaxie. L'étude des étoiles à rayons X a permis de découvrir deux trous noirs de taille moyenne simultanément dans la galaxie M82, distants de 12 millions d'années lumière. La masse d'un objet varie entre 200 et 800 masses solaires. Un autre objet est beaucoup plus grand et a une masse de 10 000 à 40 000 masses solaires. Le destin de tels objets est intéressant. Ils sont situés près des amas stellaires, s’attirant progressivement vers un trou noir supermassif situé dans la partie centrale de la galaxie.
Notre planète et les trous noirs
Malgré la recherche d'indices sur la nature des trous noirs, le monde scientifique s'inquiète de la place et du rôle du trou noir dans le destin de la galaxie de la Voie lactée et, en particulier, dans celui de la planète Terre. Le pli de temps et d'espace qui existe au centre de la Voie Lactée absorbe progressivement tous les objets existants. Des millions d'étoiles et des milliards de tonnes de gaz interstellaire ont déjà été absorbés par le trou noir. À terme, la ligne atteindra les bras de Cygnus et du Sagittaire, dans lesquels se trouve le système solaire, ayant parcouru une distance de 27 000 années-lumière.
Un autre trou noir supermassif à proximité se situe dans la partie centrale de la galaxie d'Andromède. Il se trouve à environ 2,5 millions d'années lumière de nous. Probablement, jusqu'à ce que notre objet Sagittarius A * avale sa propre galaxie, nous devrions nous attendre à la fusion de deux galaxies voisines. En conséquence, la fusion de deux trous noirs supermassifs en un tout, d’une taille terrible et monstrueuse, se produira.
Une chose complètement différente - de petits trous noirs. Absorber la planète Terre est un trou noir de quelques centimètres de rayon. Le problème est que, par nature, un trou noir est un objet complètement sans visage. Aucun rayonnement ou rayonnement ne sort de son ventre, il est donc plutôt difficile de remarquer un objet aussi mystérieux. On ne peut détecter une courbure de la lumière d’arrière-plan que de très près, ce qui indique qu’il ya un trou dans l’espace dans cette région de l’Univers.
À ce jour, des scientifiques ont découvert que le trou noir le plus proche de la Terre est l’objet V616 Monocerotis. Le monstre est situé à 3000 années-lumière de notre système. De taille importante, il s’agit d’une vaste formation dont la masse est de 9-13 masses solaires. Le trou noir Gygnus X-1 est un autre objet proche qui menace notre monde. Avec ce monstre, nous sommes séparés par une distance de 6000 années-lumière. Les trous noirs détectés dans notre voisinage font partie du système binaire, c'est-à-dire existent à proximité de l'étoile qui nourrit l'objet insatiable.
Conclusion
L’existence dans l’espace d’objets aussi mystérieux et mystérieux que des trous noirs nous oblige bien sûr à rester sur le gardien. Cependant, tout ce qui se passe avec les trous noirs se produit assez rarement, si l'on tient compte de l'âge de l'Univers et des distances énormes. Pendant 4,5 milliards d'années, le système solaire est dans un état de repos, existant selon les lois que nous connaissons. Pendant ce temps, rien de ce genre n’est apparu, ni l’espace déformé ni les plis du temps à proximité du système solaire. Il n'y a probablement pas de conditions appropriées pour cela. Cette partie de la Voie Lactée, dans laquelle réside le système d'étoiles du Soleil, est une partie calme et stable de l'espace.
Les scientifiques supposent que l'apparition de trous noirs n'est pas accidentelle. De tels objets jouent dans l’Univers le rôle de préposés aux soins qui détruisent le surplus de corps cosmiques. Quant au sort des monstres eux-mêmes, leur évolution n’est pas encore totalement comprise. Существует версия, что черные дыры не вечны и на определенном этапе могут прекратить свое существование. Уже ни для кого не секрет, что такие объекты представляют собой мощнейшие источники энергии. Какая это энергия и в чем она измеряется - это другое дело.
Стараниями Стивена Хокинга науке была предъявлена теория о то, что черная дыра все-таки излучает энергию, теряя свою массу. В своих предположениях ученый руководствовался теорией относительности, где все процессы взаимосвязаны друг с другом. Ничего просто так не исчезает, не появившись в другом месте. Любая материя может трансформироваться в другую субстанцию, при этом один вид энергии переходит на другой энергетический уровень. Так, может быть, обстоит дело и с черными дырами, которые являются переходным порталом, из одного состояния в другое.
