Složení černé díry

Když uslyšíte frázi „černá díra“, téměř jistě to vyvolá pocit tajemství a úžasu, možná s nádechem nebezpečí. Zatímco termín „černá díra“ se stal v běžném jazyce synonymem pro „místo, kam něco jde, nikdy nebude vidět opět „většina lidí je obeznámena s jeho použitím v astronomickém světě, i když ne nutně s přesnými funkcemi a definice.

Po celá desetiletí patřilo mezi nejběžnější refrény shrnutí černých děr v duchu „místa, kde je gravitace tak silná, dokonce ani světlo může uniknout. “I když je to pro začátek dostatečně přesné shrnutí, je přirozené si klást otázku, jak by se taková věc mohla začít s.

Existuje mnoho dalších otázek. Co je uvnitř černé díry? Existují různé typy černých děr? A jaká je typická velikost černé díry, za předpokladu, že taková věc existuje a lze ji měřit? Zahájení Hubbleova teleskopu přineslo revoluci v tom, jak lze studovat černé díry.

Než se dostaneme hlouběji do tématu černých děr - a špatných hříček - je užitečné projít si základní terminologii používanou k definování vlastností a geometrie černých děr.

Nejpozoruhodnější je, že každá černá díra má ve svém účinném středu, ajedinečnost, který se skládá z hmoty tak stlačené, že jde téměř o hmotu bodu. Enormní výsledná hustota vytváří gravitační pole tak silné, že se do určité vzdálenosti nemohou vymanit ani fotony, které jsou „částicemi“ světla. Tato vzdálenost je známá jakoPoloměr Schwarzchild; v nerotující černé díře (a o dynamičtějším typu se dozvíte v následující části) tvoří neviditelná koule s tímto poloměrem se singularitou ve středuhorizont událostí​.

Nic z toho samozřejmě nevysvětluje, odkud vlastně černé díry pocházejí. Vyskytují se spontánně a na náhodných místech v celém vesmíru? Pokud ano, existuje nějaká předvídatelnost jejich vzhledu? S ohledem na jejich vychvalovanou sílu by bylo užitečné vědět, jestli by černá díra plánovala zřídit obchod v obecné blízkosti sluneční soustavy Země.

Existence černých děr byla poprvé navržena v 17. století, ale vědcům té doby chyběly nástroje potřebné k potvrzení čehokoli z toho, co navrhovali. Na počátku 20. století použil německý astronom Karl Schwarzchild (ano, ten) Einsteinovu obecnou teorii relativity k určení fyzikálně nejvýznamnějšího chování černých děr - jejich schopnosti „zachytit“ světlo.

Teoreticky, na základě Schwarzchildovy práce, mohla jakákoli hmota sloužit jako základ pro černou díru. Jediným požadavkem je, aby jeho poloměr po komprimaci nepřekročil jeho poloměr Schwarzchild.

Existence černých děr přinesla fyzikům hlavolam, i když lákavý pokus o vyřešení. Předpokládá se, že díky časoprostorovému zakřivení vyplývajícímu z mimořádné gravitační síly v blízkosti černé díry se ve skutečnosti rozpadají zákony fyziky; protože horizont událostí je z lidské analýzy nepřístupný, tento konflikt ve skutečnosti ve skutečnosti není konfliktem pro astrofyziky.

Pokud si někdo představí velikost černé díry jako kouli tvořenou horizontem událostí, hustota je mnohem jiná, než kdyby černá díra je místo toho považována pouze za směšně malou zhroucenou hvězdu s hmotou tvořící singularitu (více o tom v okamžik).

Vědci se domnívají, že černé díry mohou být stejně malé jako určité atomy, ale přesto mají tolik hmoty jako hora na Zemi. Na druhou stranu, některé mohou být až 15krát hmotnější než slunce, přestože jsou stále malé (ale ne atomové velikosti). Tytohvězdné černé díryse nacházejí v galaxiích, včetně Mléčné dráhy, ve které sídlí Země a sluneční soustava.

Ještě další černé díry mohou být mnohem, mnohem větší. Tytosupermasivní černé dírymůže být více než milionkrát hmotnější než slunce a věří se, že každá galaxie má ve svém středu jednu. Ten ve středu Mléčné dráhy, dabovanýStřelec A, je dostatečně velký na to, aby pojal několik milionů Země, ale tento objem bledne ve srovnání s hmotou objektu - odhaduje se na 4 miliony sluncí.

Spíše než aby se nepředvídatelně formovaly a objevovaly hrozby, o kterých se dříve lehce hovořilo, předpokládá se, že se černé díry tvoří současně s většími objekty, žijí." Předpokládá se, že některé malé černé díry vznikly současně se vznikem samotného kosmu, v době velkého třesku téměř 14 miliard let před.

Odpovídajícím způsobem vznikají supermasivní černé díry v jednotlivých galaxiích v době, kdy tyto galaxie splynuly v existenci z mezihvězdné hmoty. Další černé díry vznikají v důsledku násilné události zvané asupernova​.

Supernova je implozivní nebo „traumatizující“ smrt hvězdy, na rozdíl od hvězdy, která vyhoří jako obrovský nebeský záblesk. K takovým událostem dochází, když hvězda vyčerpala tolik paliva, že se začala hroutit pod vlastní hmotou. Tato imploze má za následek explozi odskoku, která odhodí většinu toho, co zbylo z hvězdy, a ponechá na jejím místě singularitu.

Jedním z výše zmíněných problémů fyziků je to, že hustota části černé díry je považována za singularitu nelze vypočítat jako nic jiného než nekonečné, protože není jisté, jak malá je ve skutečnosti hmota (např. jak malý objem zabírá). Ke smysluplnému výpočtu hustoty černé díry je třeba použít její poloměr Schwarzchild.

Černá díra o hmotnosti Země má teoretickou hustotu asi 2 × 10²⁷ g / cm³ (pro srovnání, hustota vody je pouhý 1 g / cm³). Takovou velikost je prakticky nemožné dát do kontextu každodenního života, ale kosmické výsledky jsou předvídatelně jedinečné. Chcete-li to vypočítat, vydělte hmotu objemem po „opravě“ poloměru pomocí relativních hmot černé díry a slunce, jak je znázorněno v následujícím příkladu.

​Ukázkový problém:Černá díra má hmotnost přibližně 3,9 milionu (3,9 × 10⁶) slunce, přičemž hmotnost Slunce je 1,99 × 10³³ gramů a předpokládá se, že jde o kouli s poloměrem Schwarzchild 3 × 10⁵ cm. Jaká je jeho hustota?

Nejprve najděteefektivní poloměr koule tvořící horizont událostívynásobením poloměru Schwarzchilda poměrem hmotnosti černé díry k hmotnosti slunce, daným 3,9 milionu:

Poté vypočítáme objem koule zjištěný podle vzorce V = (4/3) πr³:

Nakonec vydělte hmotnost koule tímto objemem, abyste získali hustotu. Protože vám byla dána hmotnost slunce a skutečnost, že hmotnost černé díry je 3,9 milionkrát větší, můžete tuto hmotnost vypočítat jako (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ G. Hustota je tedy:

Astronomové vytvořili různé klasifikační systémy pro černé díry, jeden na základě samotné hmoty a druhý na základě náboje a rotace. Jak bylo uvedeno výše, většina (ne-li všechny) černé díry rotují kolem osy, jako samotná Země.

Klasifikace černých děr na základě hmotnosti přináší následující systém:

• ​Prvotní černé díry:Mají hmoty podobné hmotnosti Země. Jsou čistě hypotetické a mohly vzniknout regionálními gravitačními poruchami bezprostředně po Velkém třesku.
• ​Hvězdná hmota černé díry:Dříve bylo zmíněno, že tyto hmoty mají hmotnost mezi asi 4 a 15 slunečními hmotami a jsou výsledkem „tradičního“ zhroucení hvězdy větší než průměr na konci její životnosti.
• ​Mezilehlé černé díry:Nepotvrzené od roku 2019, tyto černé díry - asi několik tisíckrát hmotnější než slunce - mohou existovat v některých hvězdokupách a také později mohou vykvést do supermasivních černých děr.
• ​Supermasivní černé díry:Jak již bylo zmíněno dříve, tyto se mohou pochlubit mezi miliony až miliardami slunečních hmot a nacházejí se ve středech velkých galaxií.

V alternativním schématu mohou být černé díry roztříděny podle jejich rotace a místo toho nabité:

• ​Schwarzschildova černá díra:Také známý jako astatická černá díra, tento typ černé díry se neotáčí a nemá elektrický náboj. Vyznačuje se proto pouze svou hmotností.
• ​Černá díra Kerr:Jedná se o rotující černou díru, ale stejně jako Schwarzschildova černá díra nemá elektrický náboj.
• ​Nabitá černá díra:Ty se dodávají ve dvou variantách. Nabitý,nerotujícíčerná díra je známá jako aČerná díra Reissner-Nordstrom, zatímco je účtován,rotujícíčerná díra se nazývá aČerná díra Kerr-Newman​.

Měli byste pravdu, kdyby vás zajímalo, jak vědci vyvodili tolik sebevědomých závěrů o objektech, které podle definice nelze vizualizovat. Mnoho znalostí o černých dírách bylo odvozeno z chování a vzhledu relativně blízkých objektů. Když jsou černá díra a hvězda dostatečně blízko u sebe, vznikne speciální druh vysokoenergetického elektromagnetického záření, který může varovat astronomy.

Velké plynové trysky lze někdy vidět vyčnívající z „konců“ černé díry; někdy se tento plyn může sloučit do nejasně kruhové formy známé jakoakreční disk. Dále se předpokládá, že černé díry vyzařují druh záření nazývaného vhodně,záření černé díry(neboHawkingovo záření). Toto záření může uniknout z černé díry v důsledku vytváření párů „hmota-antihmota“ (např.elektronyapozitrony) těsně mimo horizont událostí a následná emise pouze kladných členů těchto párů jako tepelné záření.

Před spuštěnímHubbleův vesmírný dalekohledv roce 1990 si astronomové dlouho lámali hlavu nad velmi vzdálenými objekty, které pojmenovalikvasary, komprese „kvazihvězdných objektů“. Jako supermasivní černé díry, jejichž existence byla objeveny později, tyto rychle vířící vysokoenergetické objekty se nacházejí ve středech velkých galaxie. Černé díry jsou nyní považovány za entity, které řídí chování kvasarů, které se nacházejí jen v obrovských vzdálenostech, protože existovaly v relativním počátcích vesmíru; jejich světlo se právě nyní dostává na Zemi po zhruba 13 miliardách let v tranzitu.

Někteří astrofyzici navrhli, že galaxie, které se při pohledu ze Země zdají být odlišnými základními typy, mohou být ve skutečnosti stejného typu, ale s různými stranami, které se k Zemi přibližují. Někdy je kvasarová energie viditelná a poskytuje jakýsi „majákový“ efekt, pokud jde o to, jak Země přístroje zaznamenávají aktivitu kvazaru, zatímco jindy se galaxie zdají kvůli jejich „klidnější“ orientace.