Състав на черна дупка

Когато чуете фразата „черна дупка“, почти сигурно предизвиква усещане за мистерия и учудване, може би оцветено в елемент на опасност. Докато терминът "черна дупка" се превърна в синоним на всекидневен език с "място, където нещо отива, никога да не се вижда отново, "повечето хора са запознати с използването му в астрономическия свят, ако не непременно с точни характеристики и дефиниции.

От десетилетия сред най-често срещаните рефери, обобщаващи черните дупки, е по линия на „място, където гравитацията е толкова силна, дори не светлината може да избяга. "Въпреки че това е достатъчно точно обобщение, за да започнете, естествено е да се чудите как може да се случи такова нещо с.

Има и други въпроси. Какво има вътре в черна дупка? Има ли различни видове черни дупки? А какъв е типичният размер на черната дупка, ако приемем, че такова нещо съществува и може да бъде измерено? Изстрелването на телескопа Хъбъл направи революция в начина, по който могат да се изследват черните дупки.

Преди да се задълбочите в темата за черните дупки - и лошите игра на думи - е полезно да разгледате основната терминология, използвана за определяне на свойствата и геометрията на черните дупки.

Най-забележителното е, че всяка черна дупка има своя ефективен център, асингулярност, който се състои от материя, толкова компресирана, че представлява почти точкова маса. Огромната получена плътност създава гравитационно поле, толкова силно, че на определено разстояние дори фотоните, които са "частиците" на светлината, не могат да се освободят. Това разстояние е известно катоРадиус на Шварцшилд; в невъртяща се черна дупка (и ще научите за по-динамичния тип в следващ раздел), невидимата сфера с този радиус със сингулярността в центъра образувахоризонт на събитията​.

Разбира се, нищо от това не обяснява откъде всъщност идват черните дупки. Изскачат ли спонтанно и на произволни места в целия космос? Ако е така, има ли някаква предвидимост за появата им? Като се има предвид прехвалената им мощност, би било полезно да се знае дали черна дупка може да планира да създаде магазин в общата близост до Слънчевата система на Земята.

Съществуването на черни дупки беше предложено за първи път през 1700-те, но тогавашните учени не разполагаха с необходимите инструменти, за да потвърдят каквото и да е от предложените от тях. В началото на 1900 г. германският астроном Карл Шварцшилд (да, този) използва теорията на Айнщайн за общите относителност за установяване на физически най-изтъкнатото поведение на черните дупки - способността им да "улавят" светлината.

На теория, въз основа на работата на Шварцшилд, всяка маса може да служи като основа за черна дупка. Единственото изискване е радиусът му след компресиране да не надвишава радиуса на Шварцшилд.

Съществуването на черни дупки е създало на физиците загадка, макар и примамлива, която да се опита да разреши. Смята се, че благодарение на кривината в пространство-време в резултат на необикновената сила на гравитацията в близост до черната дупка, действащите закони на физиката се разпадат; тъй като хоризонтът на събитията е недостъпен от човешки анализ, този конфликт всъщност не е конфликт за астрофизиците.

Ако човек мисли за размера на черната дупка като сферата, образувана от хоризонта на събитията, плътността е много по-различна от тази на черната дупка дупката се третира вместо това само като нелепо малка колабирала звезда с маса, образуваща сингулярността (повече за това в момент).

Учените вярват, че черните дупки могат да бъдат толкова малки, колкото определени атоми, но въпреки това притежават маса, колкото планината на Земята. От друга страна, някои могат да бъдат около 15 или повече пъти по-масивни от слънцето, докато все още са малки (но не атомни по размер). Тезизвездни черни дупкисе намират в галактиките, включително Млечния път, в който живеят Земята и Слънчевата система.

И все пак други черни дупки могат да бъдат много, много по-големи. Тезисупермасивни черни дупкиможе да бъде повече от милион пъти по-масивна от слънцето и се смята, че всяка галактика има такава в центъра си. Тази в центъра на Млечния път, нареченаСтрелец А, е достатъчно голям, за да побере няколко милиона Земи, но този обем бледнее в сравнение с масата на обекта - оценява се на 4 милиона слънца.

Вместо да се образуват и да се появяват непредсказуемо, заплаха, леко намекната по-рано, се смята, че черните дупки се образуват едновременно с по-големите обекти, в които те живеят." Смята се, че някои малки черни дупки са се образували едновременно с появата на самия космос, по времето на Големия взрив почти 14 милиарда години преди.

Съответно, свръхмасивните черни дупки в отделните галактики се образуват по времето, когато тези галактики се сливат и съществуват от междузвездната материя. Други черни дупки се образуват като последица от насилствено събитие, наречено aсупернова​.

Свръхнова е имплозивната или "травматична" смърт на звезда, за разлика от звезда, изгаряща като гигантска небесна жарава. Такива събития се случват, когато звездата е изчерпала толкова много от горивото си, че започва да се срутва под собствената си маса. Тази имплозия води до отскачащ взрив, който изхвърля голяма част от това, което е останало от звездата, оставяйки сингулярност на нейно място.

Един от гореспоменатите проблеми за физиците е, че плътността на частта от черната дупка се разглежда като сингулярност не може да се изчисли като нещо различно от безкрайно, тъй като не е сигурно колко малка е масата всъщност (напр. колко малък обем тя заема). За да се изчисли смислено плътността на черна дупка, трябва да се използва радиусът на Шварцшилд.

Черната дупка със земна маса има теоретична плътност около 2 × 10²⁷ g / cm³ (за справка, плътността на водата е само 1 g / cm³). Подобен мащаб е практически невъзможно да се постави в контекста на ежедневието, но космическите резултати са предсказуемо уникални. За да изчислите това, разделяте масата на обема, след като "коригирате" радиуса, като използвате относителните маси на черната дупка и слънцето, както е показано в следващия пример.

​Примерен проблем:Черната дупка има маса около 3,9 милиона (3,9 × 10⁶) слънца, като слънчевата маса е 1,99 × 10³³ грама и се приема, че е сфера с радиус на Шварцшилд 3 × 10⁵ см. Каква е плътността му?

Първо намеретеефективен радиус на сферата, формираща хоризонта на събитиятачрез умножаване на радиуса на Шварцшилд по отношението на масата на черната дупка към тази на слънцето, дадено като 3,9 милиона:

След това изчислете обема на сферата, намерен от формулата V = (4/3) πr³:

Накрая разделете масата на сферата на този обем, за да получите плътността. Тъй като ви е дадена масата на слънцето и фактът, че масата на черната дупка е 3,9 милиона пъти по-голяма, можете да изчислите тази маса като (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ ж. Следователно плътността е:

Астрономите са създали различни системи за класификация на черните дупки, едната е базирана само на масата, а другата е базирана на заряд и въртене. Както беше отбелязано по-горе, повечето (ако не всички) черни дупки се въртят около ос, като самата Земя.

Класифицирането на черните дупки въз основа на маса дава следната система:

• ​Първични черни дупки:Те имат маси, подобни на тази на Земята. Те са чисто хипотетични и може да са се образували от регионални гравитационни смущения непосредствено след Големия взрив.
• ​Звездна маса черни дупки:Споменати по-рано, те имат маси между около 4 и 15 слънчеви маси и са резултат от "традиционния" колапс на по-голяма от средната звезда в края на нейния живот.
• ​Черни дупки със средна маса:Непотвърдени от 2019 г., тези черни дупки - около няколко хиляди пъти по-масивни от слънцето - може да съществуват в някои звездни купове, а също и по-късно могат да цъфтят в свръхмасивни черни дупки.
• ​Супермасивни черни дупки:Също споменати по-рано, те могат да се похвалят между милион до милиард слънчеви маси и се намират в центровете на големи галактики.

В алтернативна схема черните дупки могат да бъдат категоризирани според тяхното въртене и зареждане вместо това:

• ​Черната дупка на Шварцшилд:Известен още като aстатична черна дупка, този тип черна дупка не се върти и няма електрически заряд. Следователно тя се характеризира само със своята маса.
• ​Черна дупка на Кер:Това е въртяща се черна дупка, но като черна дупка на Шварцшилд, тя няма електрически заряд.
• ​Заредена черна дупка:Те се предлагат в две разновидности. Заредена,не се въртичерна дупка е известна като aReissner-Nordstrom черна дупка, докато се зарежда,въртящи сечерна дупка се нарича aЧерната дупка на Кер-Нюман​.

Ще бъдете прави, когато сте започнали да се чудите как учените са направили толкова много уверени заключения за обекти, които по дефиниция не могат да бъдат визуализирани. Много знания за черните дупки са изведени от поведението и външния вид на относително близки обекти. Когато черна дупка и звезда са достатъчно близо един до друг, се получава специален вид високоенергийно електромагнитно излъчване и може да отклони предупредителните астрономи.

Понякога могат да се видят големи газови струи, които се издават от „краищата“ на черна дупка; понякога този газ може да се слее в неясно кръгла форма, известна катоакреционен диск. Освен това се предполага, че черните дупки излъчват вид радиация, наречена по подходящ начин,радиация на черна дупка(илиРадиация на Хокинг). Това излъчване може да избяга от черната дупка поради образуването на двойки "материя-антиматерия" (напр.електрониипозитрони) точно извън хоризонта на събитията и последващото излъчване само на положителните членове на тези двойки като топлинно излъчване.

Преди стартирането наКосмически телескоп Хъбълпрез 1990 г. астрономите отдавна са озадачавали много отдалечени обекти, които са посочиликвазари, компресия на "квазизвездни обекти." Като свръхмасивни черни дупки, чието съществуване беше открити по-късно, тези бързо въртящи се високоенергийни обекти се намират в центровете на големи галактики. Понастоящем черните дупки се разглеждат като субекти, които движат поведението на квазарите, които се намират само на огромни разстояния, тъй като те са съществували в относителната детска възраст на Космоса; тяхната светлина едва сега достига Земята след около 13 милиарда години в транзит.

Някои астрофизици предполагат, че галактиките, които изглеждат като различни основни типове, когато се гледат от Земята, всъщност могат да бъдат от същия тип, но с различни страни от тях, представени към Земята. Понякога енергията на квазара е видима и осигурява нещо като "фар" ефект по отношение на това как Земята инструментите записват активността на квазара, докато в други моменти галактиките изглеждат по-"тихи" поради тяхната ориентация.