Σύνθεση μιας Μαύρης Τρύπας

Όταν ακούτε τη φράση "μαύρη τρύπα", σχεδόν σίγουρα προκαλεί μια αίσθηση μυστηρίου και θαύματος, ίσως χρωματισμένη με ένα στοιχείο κινδύνου. Ενώ ο όρος "μαύρη τρύπα" έχει γίνει συνώνυμος στην καθημερινή γλώσσα με "ένα μέρος που πηγαίνει κάτι, ποτέ δεν μπορεί να φανεί και πάλι, "οι περισσότεροι λαοί είναι εξοικειωμένοι με τη χρήση του στον κόσμο της αστρονομίας, αν όχι απαραίτητα με ακριβή χαρακτηριστικά και ορισμοί.

Για δεκαετίες, ένα από τα πιο συνηθισμένα παραλείψεις που συνόψισε τις μαύρες τρύπες ήταν κατά μήκος του «ενός τόπου όπου η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή, ούτε καν Το φως μπορεί να διαφύγει. "Ενώ πρόκειται για μια αρκετά ακριβή περίληψη για αρχή, είναι φυσικό να αναρωτιόμαστε πώς θα μπορούσε να συμβεί κάτι τέτοιο για να ξεκινήσει με.

Υπάρχουν πολλές άλλες ερωτήσεις. Τι υπάρχει μέσα σε μια μαύρη τρύπα; Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι μαύρων τρυπών; Και τι είναι ένα τυπικό μέγεθος μαύρης τρύπας, υποθέτοντας ότι υπάρχει κάτι τέτοιο και μπορεί να μετρηθεί; Η έναρξη του Τηλεσκοπίου Hubble έφερε επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο θα μπορούσαν να μελετηθούν οι μαύρες τρύπες.

Πριν μπείτε στο θέμα των μαύρων τρυπών - και των κακών puns - είναι χρήσιμο να ανατρέξετε στη βασική ορολογία που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των ιδιοτήτων και της γεωμετρίας των μαύρων οπών.

Πιο συγκεκριμένα, κάθε μαύρη τρύπα έχει στο αποτελεσματικό της κέντρο, αμοναδικότητα, η οποία αποτελείται από ύλη τόσο συμπιεσμένη που είναι σχεδόν μια μάζα σημείου. Η τεράστια προκύπτουσα πυκνότητα παράγει ένα βαρυτικό πεδίο τόσο ισχυρό που σε κάποια απόσταση, ούτε καν τα φωτόνια, τα οποία είναι τα «σωματίδια» του φωτός, μπορούν να απελευθερωθούν. Αυτή η απόσταση είναι γνωστή ωςΑκτίνα Schwarzchild; σε μια μη περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα (και θα μάθετε για τον πιο δυναμικό τύπο σε επόμενη ενότητα), η αόρατη σφαίρα με αυτήν την ακτίνα με την μοναδικότητα στο κέντρο της σχηματίζει τοορίζοντας γεγονότων​.

Φυσικά, κανένα από αυτά δεν εξηγεί από πού προέρχονται πραγματικά οι μαύρες τρύπες. Εμφανίζονται αυθόρμητα και σε τυχαία μέρη σε όλο τον κόσμο; Εάν ναι, υπάρχει κάποια προβλεψιμότητα για την εμφάνισή τους; Λαμβάνοντας υπόψη τη θωρακισμένη δύναμή τους, θα ήταν χρήσιμο να γνωρίζουμε εάν μια μαύρη τρύπα σχεδιάζει να δημιουργήσει κατάστημα στην ευρύτερη περιοχή του ηλιακού συστήματος της Γης.

Η ύπαρξη μαύρων τρυπών προτάθηκε για πρώτη φορά το 1700, αλλά οι επιστήμονες της εποχής δεν είχαν τα απαραίτητα μέσα για να επιβεβαιώσουν οποιοδήποτε από αυτά που είχαν προτείνει. Στις αρχές του 1900, ο Γερμανός αστρονόμος Karl Schwarzchild (ναι, αυτός) χρησιμοποίησε τη γενική θεωρία του Αϊνστάιν σχετικότητα για την καθιέρωση της πιο φυσιολογικής συμπεριφοράς των μαύρων οπών - την ικανότητά τους να «παγιδεύουν» φως.

Θεωρητικά, με βάση το έργο του Schwarzchild, οποιαδήποτε μάζα θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως βάση για μια μαύρη τρύπα. Η μόνη απαίτηση είναι ότι η ακτίνα του μετά τη συμπίεση δεν υπερβαίνει την ακτίνα Schwarzchild.

Η ύπαρξη μαύρων τρυπών έδωσε ένα αίνιγμα στους φυσικούς, αν και δελεαστικό να προσπαθήσει να επιλύσει. Πιστεύεται ότι χάρη στην καμπυλότητα χωροχρόνου που προκύπτει από την εξαιρετική δύναμη βαρύτητας κοντά στη μαύρη τρύπα, οι νόμοι της φυσικής στην πραγματικότητα καταρρέουν. επειδή ο ορίζοντας του γεγονότος δεν είναι προσβάσιμος από την ανθρώπινη ανάλυση, αυτή η σύγκρουση δεν είναι στην πραγματικότητα μια σύγκρουση για τους αστροφυσικούς.

Εάν κάποιος πιστεύει ότι το μέγεθος της μαύρης τρύπας είναι η σφαίρα που σχηματίζεται από τον ορίζοντα του γεγονότος, η πυκνότητα είναι πολύ διαφορετική από ό, τι εάν το μαύρο Η τρύπα αντιμετωπίζεται μόνο ως το γελοίο μικροσκοπικό αστέρι που έχει καταρρεύσει με μάζα που σχηματίζει την μοναδικότητα (περισσότερα σε αυτό σε στιγμή).

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να είναι τόσο μικροσκοπικές όσο ορισμένα άτομα, αλλά έχουν τόσο μεγάλη μάζα όσο ένα βουνό στη Γη. Από την άλλη πλευρά, μερικά μπορεί να έχουν μέγεθος έως και 15 φορές μεγαλύτερη από τον ήλιο, ενώ εξακολουθούν να είναι μικροσκοπικά (αλλά όχι ατομικά σε μέγεθος). Αυτά τααστρικές μαύρες τρύπεςβρίσκονται σε όλους τους γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία, στον οποίο κατοικούν η Γη και το ηλιακό σύστημα.

Ακόμα άλλες μαύρες τρύπες μπορεί να είναι πολύ, πολύ μεγαλύτερες. Αυτά ταυπερμεγέθεις μαύρες τρύπεςμπορεί να είναι περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές πιο ογκώδες από τον ήλιο και κάθε γαλαξίας πιστεύεται ότι έχει έναν στο κέντρο του. Αυτό που βρίσκεται στο κέντρο του Γαλαξία, ονομάζεταιΤοξότης Α, είναι αρκετά μεγάλο για να συγκρατήσει μερικά εκατομμύρια Γη, αλλά αυτός ο όγκος χάνεται σε σύγκριση με τη μάζα του αντικειμένου - εκτιμάται ότι είναι 4 εκατομμύρια ήλιοι.

Αντί να σχηματίζονται και να εμφανίζονται απρόβλεπτα, μια απειλή που υπαινίχθηκε ελαφρά στο παρελθόν, πιστεύεται ότι οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται ταυτόχρονα με τα μεγαλύτερα αντικείμενα στα οποία ζουν." Μερικές μικροσκοπικές μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί ταυτόχρονα ο ίδιος ο κόσμος δημιουργήθηκε, την εποχή του Big Bang σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Αντίστοιχα, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μέσα σε μεμονωμένους γαλαξίες σχηματίζονται τη στιγμή που οι γαλαξίες συνενώνονται στην ύπαρξη από τη διαστρική ύλη. Άλλες μαύρες τρύπες σχηματίζονται ως συνέπεια ενός βίαιου γεγονότος που ονομάζεται ασουπερνόβα​.

Ένα σουπερνόβα είναι ο αναπόφευκτος ή «τραυματικός» θάνατος ενός άστρου, σε αντίθεση με ένα αστέρι που καίγεται σαν μια γιγαντιαία ουράνια βίδα. Τέτοια γεγονότα συμβαίνουν όταν ένα αστέρι έχει εξαντλήσει τόσο μεγάλο μέρος του καυσίμου του που αρχίζει να καταρρέει κάτω από τη δική του μάζα. Αυτή η έκρηξη οδηγεί σε μια έκρηξη ριμπάουντ που ρίχνει πολλά από τα απομεινάρια του αστεριού, αφήνοντας μια μοναδικότητα στη θέση του.

Ένα από τα προαναφερθέντα προβλήματα για τους φυσικούς είναι ότι η πυκνότητα του τμήματος της μαύρης τρύπας θεωρείται ως η μοναδικότητα δεν μπορεί να υπολογιστεί ως οτιδήποτε άλλο από το άπειρο, καθώς δεν είναι βέβαιο πόσο μικρή είναι η μάζα στην πραγματικότητα (π.χ., πόσο μικρός όγκος είναι καταλαμβάνει). Για να υπολογίσει ουσιαστικά την πυκνότητα μιας μαύρης τρύπας, πρέπει να χρησιμοποιηθεί η ακτίνα Schwarzchild.

Μια μαύρη τρύπα μάζας Γης έχει θεωρητική πυκνότητα περίπου 2 × 10²⁷ g / εκ³ (για αναφορά, η πυκνότητα του νερού είναι μόλις 1 g / cm³). Ένα τέτοιο μέγεθος είναι πρακτικά αδύνατο να ενταχθεί στο πλαίσιο της καθημερινής ζωής, αλλά τα κοσμικά αποτελέσματα είναι αναμενόμενα μοναδικά. Για να το υπολογίσετε, διαιρείτε τη μάζα με τον όγκο αφού "διορθώσετε" την ακτίνα χρησιμοποιώντας τις σχετικές μάζες της μαύρης τρύπας και του ήλιου, όπως φαίνεται στο παρακάτω παράδειγμα.

​Πρόβλημα δείγματος:Μια μαύρη τρύπα έχει τη μάζα περίπου 3,9 εκατομμύρια (3,9 × 10⁶) ήλιοι, με τη μάζα του ήλιου να είναι 1,99 × 10³³ γραμμάρια, και θεωρείται ότι είναι μια σφαίρα με ακτίνα Schwarzchild 3 × 10⁵ εκ. Ποια είναι η πυκνότητά του;

Πρώτα, βρείτε τοαποτελεσματική ακτίνα της σφαίρας που σχηματίζει τον ορίζοντα γεγονότοςπολλαπλασιάζοντας την ακτίνα Schwarzchild με την αναλογία της μάζας της μαύρης τρύπας προς εκείνη του ήλιου, με 3,9 εκατομμύρια:

Στη συνέχεια, υπολογίστε τον όγκο της σφαίρας, που βρέθηκε από τον τύπο V = (4/3) πr³:

Τέλος, διαιρέστε τη μάζα της σφαίρας με αυτόν τον όγκο για να λάβετε την πυκνότητα. Επειδή σας δίνεται η μάζα του ήλιου και το γεγονός ότι η μάζα της μαύρης τρύπας είναι 3,9 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη, μπορείτε να υπολογίσετε αυτήν τη μάζα ως (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ σολ. Η πυκνότητα είναι επομένως:

Οι αστρονόμοι έχουν δημιουργήσει διαφορετικά συστήματα ταξινόμησης για μαύρες τρύπες, το ένα βασισμένο μόνο στη μάζα και το άλλο βασισμένο στη φόρτιση και την περιστροφή. Όπως σημειώθηκε στο πέρασμα παραπάνω, οι περισσότερες (αν όχι όλες) μαύρες τρύπες περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα, όπως η ίδια η Γη.

Η ταξινόμηση των μαύρων οπών με βάση τη μάζα αποδίδει το ακόλουθο σύστημα:

• ​Αρχέγονες μαύρες τρύπες:Αυτές έχουν μάζες παρόμοιες με εκείνες της Γης. Αυτά είναι καθαρά υποθετικά και μπορεί να έχουν δημιουργηθεί μέσω περιφερειακών βαρυτικών διαταραχών αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
• ​Μαύρες τρύπες αστρικής μάζας:Αναφέρθηκαν προηγουμένως, έχουν μάζες μεταξύ περίπου 4 και 15 ηλιακών μαζών και προκύπτουν από την «παραδοσιακή» κατάρρευση ενός μεγαλύτερου από το μέσο όρο άστρου στο τέλος της διάρκειας ζωής του.
• ​Ενδιάμεσες μαζικές τρύπες μάζας:Χωρίς επιβεβαίωση από το 2019, αυτές οι μαύρες τρύπες - περίπου μερικές χιλιάδες φορές πιο ογκώδεις από τον ήλιο - μπορεί να υπάρχουν σε ορισμένες συστάδες αστεριών και επίσης αργότερα μπορεί να ανθίσουν σε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
• ​Υπερμεγέθη μαύρες τρύπες:Αναφέρθηκαν επίσης προηγουμένως, αυτά διαθέτουν μεταξύ ενός εκατομμυρίου έως ενός δισεκατομμυρίου ηλιακών μαζών και βρίσκονται στα κέντρα μεγάλων γαλαξιών.

Σε ένα εναλλακτικό σχήμα, οι μαύρες τρύπες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με την περιστροφή τους και να φορτίσουν αντ 'αυτού:

• ​Μαύρη τρύπα Schwarzschild:Επίσης γνωστό ωςστατική μαύρη τρύπα, αυτός ο τύπος μαύρης τρύπας δεν περιστρέφεται και δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Επομένως χαρακτηρίζεται από τη μάζα του μόνο.
• ​Μαύρη τρύπα Kerr:Αυτή είναι μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, αλλά όπως μια μαύρη τρύπα Schwarzschild, δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο.
• ​Φορτισμένη μαύρη τρύπα:Αυτά έρχονται σε δύο ποικιλίες. Μια χρέωση,μη περιστρεφόμενοη μαύρη τρύπα είναι γνωστή ωςReissner-Nordstrom μαύρη τρύπα, ενώ χρεώνεται,περιστροφικόςη μαύρη τρύπα ονομάζεται αΜαύρη τρύπα Kerr-Newman​.

Θα έχετε δίκιο να αρχίσετε να αναρωτιέστε πώς οι επιστήμονες κατέληξαν σε τόσα πολλά αυτοπεποίθητα συμπεράσματα για αντικείμενα που εξ ορισμού δεν μπορούν να απεικονιστούν. Πολλές γνώσεις για τις μαύρες τρύπες έχουν συναχθεί από τη συμπεριφορά και την εμφάνιση σχετικά κοντινών αντικειμένων. Όταν μια μαύρη τρύπα και ένα αστέρι είναι αρκετά κοντά μεταξύ τους, προκύπτει ένα ειδικό είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας και μπορεί να ενημερώσει τους αστρονόμους.

Ορισμένες φορές, οι αεριωθούμενοι αεριωθούμενοι αεριωτήρες προβάλλονται από τα "άκρα" μιας μαύρης τρύπας. Μερικές φορές, αυτό το αέριο μπορεί να συγκεντρωθεί σε μια αόριστα κυκλική μορφή γνωστή ωςδίσκος συσσώρευσης. Θεωρείται περαιτέρω ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ένα είδος ακτινοβολίας που ονομάζεται, κατάλληλα,ακτινοβολία μαύρων οπών(ήΑκτινοβολία Hawking). Αυτή η ακτινοβολία μπορεί να ξεφύγει από τη μαύρη τρύπα λόγω του σχηματισμού ζευγών "ύλης-αντιύλης" (π.χ.,ηλεκτρόνιακαιποζιτρόνια) λίγο έξω από τον ορίζοντα του συμβάντος και την επακόλουθη εκπομπή μόνο των θετικών μελών αυτών των ζευγών ως θερμική ακτινοβολία.

Πριν από την έναρξη τουΔιαστημικό τηλεσκόπιο Hubbleτο 1990, οι αστρονόμοι προβληματίστηκαν για πολύ μακρινά αντικείμενα που ονόμαζανκβάζαρ, μια συμπίεση "οιονεί αστρικών αντικειμένων." Όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, η ύπαρξη των οποίων ήταν Ανακαλύφθηκε αργότερα, αυτά τα αντικείμενα υψηλής ενέργειας που περιστρέφονται γρήγορα βρίσκονται στα κέντρα μεγάλων γαλαξίες. Οι μαύρες τρύπες τώρα θεωρούνται ως οι οντότητες που οδηγούν τη συμπεριφορά των κβάζαρ, οι οποίες βρίσκονται μόνο σε τεράστιες αποστάσεις επειδή υπήρχαν στο σχετικό νηπιακό στάδιο του κόσμου. το φως τους φτάνει μόλις τώρα στη Γη μετά από περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια σε διέλευση.

Μερικοί αστροφυσικοί έχουν προτείνει ότι οι γαλαξίες που φαίνεται να είναι διαφορετικοί βασικοί τύποι όταν παρατηρούνται από τη Γη μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ο ίδιος τύπος, αλλά με διαφορετικές πλευρές τους να παρουσιάζονται προς τη Γη. Μερικές φορές, η ενέργεια κβάζαρ είναι ορατή και παρέχει ένα είδος «φάρου» ως προς το πώς η Γη Τα όργανα καταγράφουν τη δραστηριότητα του κβάζαρ, ενώ άλλες φορές οι γαλαξίες εμφανίζονται πιο «ήσυχοι» λόγω των προσανατολισμός.