Sammensætning af et sort hul

Når du hører sætningen "sort hul", fremkalder det næsten helt sikkert en følelse af mysterium og undring, måske farvet med et element af fare. Mens udtrykket "sort hul" er blevet synonymt med i det daglige sprog med "et sted noget går, aldrig at blive set igen, "de fleste mennesker er fortrolige med dets anvendelse i astronomiverden, hvis ikke nødvendigvis med præcise træk og definitioner.

I årtier har et af de mest almindelige refrænter, der opsummerer sorte huller, været i retning af "et sted, hvor tyngdekraften er så stærk, ikke engang lys kan undslippe. ”Selvom dette er et nøjagtigt nok resumé til at begynde med, er det naturligt at undre sig over, hvordan sådan en ting kunne ske for at begynde med.

Andre spørgsmål bugner. Hvad er der inde i et sort hul? Er der forskellige typer sorte huller? Og hvad er en typisk sort hulstørrelse, forudsat at en sådan ting eksisterer og kan måles? Lanceringen af ​​Hubble-teleskopet revolutionerede, hvordan sorte huller kunne studeres.

Før du går dybt ind i emnet sorte huller - og dårlige ordspil - er det nyttigt at gå igennem den grundlæggende terminologi, der bruges til at definere egenskaber og geometri af sorte huller.

Mest bemærkelsesværdigt har hvert sort hul i sit effektive center, asingularitet, som består af materiale, der er så komprimeret, at det næsten er en punktmasse. Den enorme resulterende tæthed producerer et tyngdefelt så kraftigt, at ud til en bestemt afstand kan ikke engang fotoner, som er "partiklerne" af lys, bryde fri. Denne afstand er kendt somSchwarzchild radius; i et ikke-roterende sort hul (og du lærer om den mere dynamiske type i et efterfølgende afsnit), danner den usynlige kugle med denne radius med singulariteten i centrumbegivenhedshorisont​.

Selvfølgelig forklarer intet af dette, hvor sorte huller faktisk kommer fra. Popes de op spontant og tilfældigt i hele kosmos? Hvis ja, er der nogen forudsigelighed for deres udseende? I betragtning af deres hyldede magt ville det være nyttigt at vide, om et sort hul måske planlagde at oprette butik i den generelle nærhed af Jordens solsystem.

Eksistensen af ​​sorte huller blev først foreslået i 1700'erne, men datidens forskere manglede de nødvendige instrumenter til at bekræfte noget af det, de havde foreslået. I begyndelsen af ​​1900'erne brugte den tyske astronom Karl Schwarzchild (ja, den ene) Einsteins generelle teori relativitet for at etablere den mest fysisk fremtrædende opførsel af sorte huller - deres evne til at "fange" lys.

I teorien, baseret på Schwarzchilds arbejde, kunne enhver masse tjene som basis for et sort hul. Det eneste krav er, at dens radius efter komprimering ikke overstiger dens Schwarzchild-radius.

Eksistensen af ​​sorte huller har givet fysikerne en gåde, omend en lokkende til at forsøge at løse. Det antages, at takket være rum-tid-krumningen som følge af den ekstraordinære tyngdekraft i nærheden af ​​det sorte hul, nedbrydes fysikens love faktisk; fordi begivenhedshorisonten er utilgængelig fra menneskelig analyse, er denne konflikt faktisk ikke en konflikt for astrofysikere.

Hvis man tænker på sort hulstørrelse som den sfære, der dannes af begivenhedshorisonten, er densiteten langt anderledes end hvis den sorte hul behandles i stedet kun som den latterligt lille kollapsede stjerne med masse, der danner singulariteten (mere om dette i en øjeblik).

Forskere mener, at sorte huller kan være så små som visse atomer, men alligevel have så meget masse som et bjerg på Jorden. På den anden side kan nogle være omkring 15 gange så massive som solen, mens de stadig er små (men ikke atomare i størrelse). Dissestjernesorte hullerfindes i galakser, herunder Mælkevejen, hvor Jorden og solsystemet befinder sig.

Stadig andre sorte huller kan være meget, meget større. Dissesupermassive sorte hullerkan være mere end en million gange så massiv som solen, og enhver galakse antages at have en i centrum. Den i midten af ​​Mælkevejen, døbtSkytten A, er stor nok til at rumme et par millioner jordarter, men dette volumen blegner i forhold til objektets masse - anslået til at være den for 4 millioner soler.

I stedet for at danne og fremstå uforudsigeligt, antages en trussel, der let antydes tidligere, menes sorte huller at dannes på samme tid som de større objekter, hvori de lever." Nogle små sorte huller menes at have dannet sig på samme tid, at selve kosmos blev til på tidspunktet for Big Bang næsten 14 milliarder år siden.

Tilsvarende dannes supermassive sorte huller i individuelle galakser på det tidspunkt, hvor disse galakser smelter sammen til eksistens fra interstellar materie. Andre sorte huller dannes som en konsekvens af en voldelig begivenhed kaldet asupernova​.

En supernova er den implosive eller "traumatiske" død af en stjerne i modsætning til en stjerne, der brænder ud som en gigantisk himmelsk glød. Sådanne begivenheder opstår, når en stjerne har udtømt så meget af sit brændstof, at den begynder at kollapse under sin egen masse. Denne implosion resulterer i en rebound-eksplosion, der smider meget af det, der er tilbage af stjernen, og efterlader en unikhed på sin plads.

Et af de ovennævnte problemer for fysikere er, at tætheden af ​​den del af det sorte hul betragtes som singulariteten kan ikke beregnes som noget andet end uendeligt, da det er usikkert, hvor lille massen faktisk er (f.eks. hvor lille volumen den er optager). For at beregne densiteten af ​​et sort hul meningsfuldt skal dens Schwarzchild-radius bruges.

Et sortmasse med jordmasse har en teoretisk tæthed på ca. 2 × 10²⁷ g / cm³ (til reference er vandtætheden kun 1 g / cm³). En sådan størrelse er praktisk taget umulig at sætte ind i hverdagens sammenhæng, men de kosmiske resultater er forudsigeligt unikke. For at beregne dette dividerer du massen med lydstyrken efter at have "korrigeret" radius ved hjælp af de relative masser af det sorte hul og solen, som vist i det følgende eksempel.

​Eksempel på problem:Et sort hul har en masse på ca. 3,9 millioner (3,9 × 10⁶) soler, hvor solens masse er 1,99 × 10³³ gram og antages at være en kugle med en Schwarzchild-radius på 3 × 10⁵ cm. Hvad er dens densitet?

Find førsteffektiv radius af kuglen, der danner begivenhedshorisontenved at multiplicere Schwarzchild-radius med forholdet mellem massen af ​​det sorte hul og solens, givet som 3,9 millioner:

Beregn derefter kuglens volumen, fundet fra formlen V = (4/3) πr³:

Endelig divider kuglens masse med dette volumen for at opnå densiteten. Fordi du får solens masse og det faktum, at det sorte huls masse er 3,9 millioner gange større, kan du beregne denne masse som (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Densiteten er derfor:

Astronomer har produceret forskellige klassificeringssystemer til sorte huller, den ene er baseret på masse alene og den anden er baseret på ladning og rotation. Som nævnt i forbifarten, roterer de fleste (hvis ikke alle) sorte huller omkring en akse, som jorden selv.

Klassificering af sorte huller baseret på masse giver følgende system:

• ​Ursorte sorte huller:Disse har masser svarende til jordens. Disse er rent hypotetiske og kan have dannet sig ved regionale tyngdeforstyrrelser i umiddelbar efterdybning af Big Bang.
• ​Stjernemassesorte huller:Tidligere nævnt har disse masser mellem ca. 4 og 15 solmasser og skyldes det "traditionelle" sammenbrud af en stjerne, der er større end gennemsnittet ved enden af ​​dens levetid.
• ​Mellemliggende sorte huller:Ubekræftet fra og med 2019 kan disse sorte huller - omkring et par tusinde gange så massive som solen - eksistere i nogle stjerneklynger og senere også blomstre i supermassive sorte huller.
• ​Supermassive sorte huller:Også nævnt tidligere prale disse mellem en million og en milliard solmasser og findes i centrum af store galakser.

I et alternativt skema kan sorte huller kategoriseres efter deres rotation og opladning i stedet:

• ​Schwarzschild sort hul:Også kendt som enstatisk sort hul, denne type sort hul roterer ikke og har ingen elektrisk ladning. Det er derfor præget af sin masse alene.
• ​Kerr sort hul:Dette er et roterende sort hul, men som et Schwarzschild-sort hul har det ingen elektrisk ladning.
• ​Opladet sort hul:Disse findes i to varianter. En opladet,ikke-roterendesort hul er kendt som enReissner-Nordstrom sort hul, mens en ladet,roterendesort hul kaldes enKerr-Newman sort hul​.

Du ville have ret i at være begyndt at undre dig over, hvordan forskere har draget så mange sikre konklusioner om objekter, at de pr. Definition ikke kan visualiseres. Meget kendskab til sorte huller er blevet udledt af adfærd og udseende af relativt nærliggende objekter. Når et sort hul og en stjerne er tæt nok sammen, resulterer en speciel form for højenergi-elektromagnetisk stråling, som kan tipse alarm astronomer.

Store gasstråler kan undertiden se ud fra "enderne" af et sort hul; undertiden kan denne gas smelte sammen i en svagt cirkulær form kendt som entilvænningsdisk. Det teorieres yderligere, at sorte huller udsender en slags stråling kaldet passende,sort hul stråling(ellerHawking-stråling). Denne stråling kan undslippe det sorte hul på grund af dannelsen af ​​"stof-antimateriale" par (f.eks.elektronerogpositroner) lige uden for begivenhedshorisonten og den efterfølgende emission af kun de positive medlemmer af disse par som termisk stråling.

Før lanceringen afHubble-rumteleskopi 1990 havde astronomer længe undret sig over meget fjerne objekter, de navngavkvasarer, en komprimering af "kvasi-stjernede objekter." Som supermassive sorte huller, hvis eksistens var opdaget senere, findes disse hurtigt hvirvlende højenergiobjekter i centrum af store galakser. Sorte huller betragtes nu som enheder, der driver kvasars opførsel, som kun findes enorme afstande, fordi de eksisterede i kosmos relative barndom; deres lys når lige nu Jorden efter omkring 13 milliarder år i transit.

Nogle astrofysikere har foreslået, at galakser, der ser ud til at være forskellige grundlæggende typer set fra jorden, faktisk kan være af samme type, men med forskellige sider af dem præsenteret mod Jorden. Nogle gange er kvasarenergien synlig og giver en slags "fyr" -effekt med hensyn til hvordan Jorden instrumenter registrerer kvasarens aktivitet, mens galakser på andre tidspunkter virker mere "stille" på grund af deres orientering.