Musta augu koostis

Kui kuulete fraasi "must auk", tekitab see peaaegu kindlasti salapära ja imestustunnet, mis võib-olla on ohuelemendiga seotud. Kui mõiste "must auk" on muutunud igapäevakeeles sünonüümiks "koht, kuhu midagi läheb, seda pole kunagi näha jällegi: "enamik inimesi tunneb selle kasutamist astronoomiamaailmas, kui mitte tingimata täpsete omadustega ja määratlused.

Aastakümneid on mustade aukude kokkuvõtete seas olnud kõige tavalisem hoidumine "koha, kus gravitatsioon on nii tugev, isegi mitte valgus võib põgeneda. "Ehkki see on alustuseks piisavalt täpne kokkuvõte, on loomulik mõelda, kuidas selline asi juhtuda võib koos.

Muud küsimused on küllaga. Mis on musta augu sees? Kas on olemas erinevat tüüpi musti auke? Ja mis on tüüpiline musta augu suurus, eeldades, et selline asi on olemas ja seda saab mõõta? Hubble'i teleskoobi käivitamine muutis mustade aukude uurimist.

Enne mustade aukude - ja halbade sõnade - teemasse süvenemist on kasulik minna üle mustade aukude omaduste ja geomeetria määratlemisel kasutatavale põhiterminoloogiale.

Kõige olulisem on see, et iga musta augu tegelik keskpunkt on asingulaarsus, mis koosneb nii kokku surutud ainest, et see on peaaegu punktmass. Sellest tulenev tohutu tihedus tekitab nii võimsa gravitatsioonivälja, et teatud kaugusele ei saa vabaneda isegi footonid, mis on valguse "osakesed". Seda kaugust tuntakse kuiSchwarzchildi raadius; mitte pöörlevas mustas augus (ja dünaamilisema tüübi kohta saate teada järgmises jaotises) moodustab selle raadiusega nähtamatu kera, mille keskmes on ainsussündmuse silmapiir​.

Muidugi ei seleta ükski sellest, kust mustad augud tegelikult pärinevad. Kas need ilmuvad kogu kosmoses spontaanselt ja suvalistes kohtades? Kui jah, siis kas nende välimust on võimalik ennustada? Arvestades nende väljapeetud jõudu, oleks kasulik teada, kas must auk võiks kavandada kaupluse rajamist Maa päikesesüsteemi üldisse lähedusse.

Mustade aukude olemasolu pakuti esmakordselt välja 1700. aastatel, kuid tolleaegsetel teadlastel puudusid vahendid, mis oleksid nende pakutava kinnitamiseks vajalikud. 1900. aastate alguses kasutas Saksa astronoom Karl Schwarzchild (jah, see üks) Einsteini üldteooriat suhtelisus mustade aukude füüsiliselt kõige silmapaistvama käitumise kindlakstegemiseks - nende võime valgust "kinni püüda".

Teoreetiliselt võiks Schwarzchildi teose põhjal olla musta augu aluseks mis tahes mass. Ainus nõue on, et selle kokkusurumise raadius ei ületaks Schwarzchildi raadiust.

Mustade aukude olemasolu on füüsikutele pakkunud hämmingut, ehkki see on ahvatlev lahendus. Usutakse, et tänu aegruumi kõverusele, mis tuleneb erakordsest raskusjõust musta augu läheduses, lagunevad tegelikult füüsikaseadused; kuna sündmuste horisond on inimanalüüsi põhjal kättesaamatu, ei ole see konflikt tegelikult astrofüüsikute konflikt.

Kui mõelda musta augu suurusest kui sündmushorisondi poolt moodustatud kerast, on tihedus palju erinev kui mustast auku käsitletakse selle asemel ainult naeruväärselt pisikese varisenud tähena, mille mass moodustab ainsuse (rohkem sellest hetk).

Teadlased usuvad, et mustad augud võivad olla sama pisikesed kui teatud aatomid, kuid omada samasugust massi kui mägi Maal. Teisest küljest võivad mõned olla umbes 15 korda suuremad kui päike, olles siiski pisikesed (kuid mitte aatomisuurused). Needtähe mustad augudon kogu galaktikates, sealhulgas Linnuteel, kus asuvad Maa ja Päikesesüsteem.

Veel muud mustad augud võivad olla palju-palju suuremad. Needülimassiivsed mustad augudvõib olla rohkem kui miljon korda massiivsem kui päike ja arvatakse, et iga galaktika keskmes on üks. Linnutee keskel asuv, dubleeritudAmbur A, on piisavalt suur, et mahutada paar miljonit Maad, kuid see maht kahaneb võrreldes objekti massiga - hinnanguliselt 4 miljoni päikese omaga.

Selle asemel, et tekkida ja ilmneda ettearvamatult, vihjati varem kergelt ähvardavale ohule, arvatakse, et mustad augud tekivad samal ajal suuremate objektidega, milles nad elavad." Arvatakse, et mõned väikesed mustad augud tekkisid samal ajal, kui kosmos ise tekkis, Suure Paugu ajal, peaaegu 14 miljardit aastat tagasi.

Vastavalt moodustuvad üksikute galaktikate supermassiivsed mustad augud ajal, mil need galaktikad ühinevad tähtedevahelisest ainest. Teised mustad augud tekivad vägivaldse sündmuse tagajärjel, mida nimetatakse asupernoova​.

Supernoova on tähe implitseeriv ehk "traumaatiline" surm, vastupidiselt sellele, et täht põleb läbi hiiglasliku taevase süsinikuna. Sellised sündmused leiavad aset siis, kui täht on nii palju kütusest ammendunud, et hakkab oma massi all kokku varisema. Selle plahvatuse tagajärjeks on tagasilöögiplahvatus, mis viskab suure osa tähest allesjäänud osast, jättes oma kohale ainsuse.

Füüsikute jaoks on üks eelmainitud probleemidest see, et musta augu osa tihedus, mida peetakse singulaarsuseks ei saa arvutada millekski muuks kui lõpmatuks, kuna pole kindel, kui väike mass tegelikult on (nt kui väike maht see on hõivab). Musta augu tiheduse mõtestatud arvutamiseks tuleb kasutada selle Schwarzchildi raadiust.

Maa massiga musta augu teoreetiline tihedus on umbes 2 × 10²⁷ g / cm³ (võrdluseks on vee tihedus vaid 1 g / cm3³). Sellist suurust pole praktiliselt võimalik igapäevaelu konteksti panna, kuid kosmilised tulemused on ettearvatavalt ainulaadsed. Selle arvutamiseks jagate massi mahu järgi pärast raadiuse "korrigeerimist", kasutades musta augu ja päikese suhtelist massi, nagu on näidatud järgmises näites.

​Prooviprobleem:Musta augu mass on umbes 3,9 miljonit (3,9 × 10⁶) päikest, mille päikese mass on 1,99 × 10³³ grammi ja eeldatakse, et see on kera, mille raadius on 3 × 10 Schwarzchild⁵ cm. Mis on selle tihedus?

Esiteks leidkesündmushorisondi moodustava sfääri efektiivne raadiuskorrutades Schwarzchildi raadiuse musta augu ja päikese massi suhtega, mis on antud 3,9 miljonina:

Seejärel arvutage sfääri maht, mis on leitud valemist V = (4/3) πr³:

Lõpuks jagage kera mass selle mahu järgi, et saada tihedus. Kuna teile antakse päikese mass ja tõsiasi, et musta augu mass on 3,9 miljonit korda suurem, saate selle massi arvutada järgmiselt: (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Seetõttu on tihedus:

Astronoomid on loonud mustade aukude jaoks erinevad klassifitseerimissüsteemid, millest üks põhineb ainult massil ja teine ​​laengul ja pöörlemisel. Nagu ülal möödudes märgitud, pöörlevad enamik (kui mitte kõik) mustad augud telje ümber, nagu Maa ise.

Mustade aukude klassifitseerimine massi järgi annab järgmise süsteemi:

• ​Ürgsed mustad augud:Nende mass on sarnane Maa omaga. Need on puhtalt hüpoteetilised ja võisid tekkida piirkondlike gravitatsioonihäirete tõttu vahetult pärast Suurt Pauku.
• ​Tähemassi mustad augud:Varem mainitud on nende mass umbes 4–15 päikesemassi ja need tulenevad keskmisest suurema tähe "traditsioonilisest" kokkuvarisemisest tema eluea lõpus.
• ​Vahepealsed mustad augud:Alates 2019. aastast kinnitamata võivad need mustad augud - umbes paar tuhat korda massiivsemad kui päike - eksisteerida mõnes täheparves ja võivad hiljem õitseda ka ülimasssiivseteks mustadeks aukudeks.
• ​Supermassiivsed mustad augud:Samuti on varem mainitud, et nende uhkuseks on miljon kuni miljard päikesemassi ja neid leidub suurte galaktikate keskpunktides.

Alternatiivses skeemis saab mustad augud kategoriseerida nende pöörlemise ja laengu järgi:

• ​Schwarzschildi must auk:Tuntud ka kuistaatiline must auk, seda tüüpi must auk ei pöörle ja sellel pole elektrilaengut. Seetõttu iseloomustab seda ainult mass.
• ​Kerri must auk:See on pöörlev must auk, kuid nagu Schwarzschildi must auk, pole sellel ka elektrilaengut.
• ​Laetud must auk:Neid on kahte sorti. Tasuline,mitte pöörlevmust auk on tuntud kuiReissner-Nordstromi must auk, samas kui see on laetudpöörlevmusta auku nimetatakse aKerr-Newmani must auk​.

Teil oleks õigus hakata mõtlema, kuidas teadlased on objektide kohta nii palju enesekindlaid järeldusi teinud, et definitsiooni järgi ei saa neid visualiseerida. Palju teadmisi mustadest aukudest on järeldanud suhteliselt lähedal asuvate objektide käitumine ja välimus. Kui must auk ja täht on piisavalt lähedal, tekib eriline suure energiaga elektromagnetiline kiirgus, mis võib tähelepanelikud astronoomid ära kallutada.

Mõnikord võib näha musta augu "otstest" väljaulatuvaid suuri gaasijugasid; mõnikord võib see gaas ühineda ebamääraselt ümmarguseks vormiks, mida tuntakse kuiakretsiooniketas. Edasi teoretiseeritakse, et mustad augud kiirgavad omamoodi kiirgust, mida nimetatakse sobivaltmusta augu kiirgus(võiHawkingi kiirgus). See kiirgus võib mustast august välja pääseda "aine-antiaine" paaride moodustumise tõttu (ntelektronidjapositronid) vahetult väljaspool sündmuse horisondi ja sellele järgnevate ainult nende paaride positiivsete liikmete emissioon soojuskiirgusena.

Enne programmi käivitamistHubble'i kosmoseteleskoop1990. aastal olid astronoomid pikka aega mõelnud väga kaugete objektide pärast, mida nad nimetasidkvasarid, "kvaasitähe objektide" kokkusurumine. Nagu supermassiivsed mustad augud, mille olemasolu oli Hiljem avastati, et need kiiresti pöörlevad suure energiaga objektid asuvad suurte keskpunktides galaktikad. Nüüd peetakse musti auke kvasaride käitumist juhtivateks üksusteks, mida leidub tohutult kaugel, kuna need eksisteerisid kosmose suhtelises lapsekingades; nende valgus on just umbes 13 miljardi aasta pikkuse transiidi ajal Maale jõudmas.

Mõned astrofüüsikud on välja pakkunud, et galaktikad, mis Maalt vaadates tunduvad olevat erinevad põhitüübid, võivad tegelikult olla sama tüüpi, kuid nende erinevad küljed on Maa poole suunatud. Mõnikord on kvaasarenergia nähtav ja annab Maa toimimise mõttes omamoodi "tuletorni" efekti instrumendid registreerivad kvasari tegevust, samal ajal kui galaktikad tunduvad muul ajal nende tõttu "vaiksemad" orientatsioon.