Musta reiän koostumus

Kun kuulet lauseen "musta aukko", se melkein varmasti herättää mysteerisyyden ja ihmeen tunteen, kenties vaaran aiheuttaman. Vaikka termistä "musta aukko" on tullut synonyymi jokapäiväisessä kielessä sanalla "paikka, johon menee, ei koskaan näe jälleen "useimmat ihmiset tuntevat sen käytön tähtitieteellisessä maailmassa, ellei välttämättä tarkkojen piirteiden ja määritelmät.

Vuosikymmenien ajan mustien aukkojen yhteenveto yleisimpien pidätysten joukossa on ollut "paikalla, jossa painovoima on niin voimakas, ei edes valo voi paeta. "Vaikka tämä onkin riittävän tarkka yhteenveto aluksi, on luonnollista miettiä, miten sellainen voisi tapahtua kanssa.

Muita kysymyksiä on runsaasti. Mikä on mustan aukon sisällä? Onko olemassa erityyppisiä mustia aukkoja? Ja mikä on tyypillinen mustan aukon koko olettaen, että sellainen on olemassa ja se voidaan mitata? Hubble-teleskoopin laukaisu mullisti kuinka mustia aukkoja voitiin tutkia.

Ennen syvällistä syventämistä mustien aukkojen - ja huonojen sanojen - aiheeseen on hyödyllistä käydä läpi perustermiologia, jota käytetään mustien aukkojen ominaisuuksien ja geometrian määrittelemiseen.

Erityisesti jokaisen mustan aukon todellinen keskusta, asingulariteetti, joka koostuu aineesta, joka on niin puristettu, että se on melkein pistemassa. Valtava tuloksena oleva tiheys tuottaa niin voimakkaan painovoimakentän, että edes fotonit, jotka ovat valon "hiukkasia", eivät voi vapautua tietylle etäisyydelle. Tämä etäisyys tunnetaan nimelläSchwarzchildin säde; pyörimättömässä mustassa aukossa (ja voit oppia dynaamisemmasta tyypistä seuraavassa osassa) näkymätön pallo, jonka säde on tämän säteen keskellä singulaarisuus, muodostaatapahtumahorisontti​.

Tietenkään mikään tästä ei selitä, mistä mustat aukot todella tulevat. Nousevatko ne spontaanisti ja satunnaisissa paikoissa kaikkialla kosmoksessa? Jos on, onko heidän ulkonäöltään ennustettavissa? Kun otetaan huomioon heidän haavoittuva voimansa, olisi hyödyllistä tietää, aikooko musta aukko perustaa myymälän maapallon aurinkokunnan läheisyyteen.

Mustien aukkojen olemassaoloa ehdotettiin ensimmäisen kerran 1700-luvulla, mutta tämän päivän tiedemiehiltä puuttui tarvittavat välineet minkä tahansa heidän ehdottamansa vahvistamiseksi. Saksalainen tähtitieteilijä Karl Schwarzchild (kyllä, tuo) käytti 1900-luvun alussa Einsteinin yleistä teoriaa suhteellisuusteoria mustien aukkojen fyysisesti näkyvimmän käyttäytymisen selvittämiseksi - niiden kyky "vangita" valoa.

Teoriassa Schwarzchildin työn perusteella mikä tahansa massa voisi toimia mustan aukon perustana. Ainoa vaatimus on, että sen säde puristamisen jälkeen ei ylitä Schwarzchildin sädettä.

Mustien aukkojen olemassaolo on antanut fyysikoille hämmennyksen, vaikkakin houkuttelevan yrittää ratkaista. Uskotaan, että avaruuden kaarevuuden ansiosta, joka syntyy mustan aukon läheisyydessä tapahtuvasta poikkeuksellisesta painovoimasta, käytännössä fysiikan lait hajoavat; koska tapahtumahorisonttiin ei pääse ihmisen analyysin perusteella, tämä konflikti ei oikeastaan ​​ole oikea konflikti astrofyysikoille.

Jos ajatellaan mustan aukon kokoa tapahtumahorisontin muodostamana pallona, ​​tiheys on paljon erilainen kuin jos musta reikää käsitellään sen sijaan vain naurettavan pienenä romahtaneena tähtinä, jonka massa muodostaa singulaarisuuden (lisää tästä hetki).

Tutkijat uskovat, että mustat aukot voivat olla yhtä pieniä kuin tietyt atomit, mutta niillä on kuitenkin yhtä suuri massa kuin vuorella maan päällä. Toisaalta jotkut voivat olla noin 15 kertaa niin massiivisia kuin aurinko, mutta silti pienet (mutta eivät atomikokoisia). Nämätähtien mustia aukkojaesiintyy kaikkialla galaksissa, mukaan lukien Linnunrata, jossa maapallo ja aurinkokunta asuvat.

Vielä muut mustat aukot voivat olla paljon, paljon suurempia. Nämäsupermassiiviset mustat aukotvoi olla yli miljoona kertaa massiivisempi kuin aurinko, ja jokaisen galaksin uskotaan olevan yksi sen keskellä. Linnunradan keskellä oleva, kopioituJousimies A, on riittävän suuri pitämään muutama miljoona maapalloa, mutta tämä määrä hiipuu verrattuna kohteen massaan - arvioidaan olevan 4 miljoonaa aurinkoa.

Sen sijaan, että muodostuisi ja esiintyisi arvaamattomasti, aikaisemmin kevyesti vihjatun uhkan uskotaan muodostuvan mustia aukkoja samanaikaisesti suurempien esineiden kanssa, joissa he asuvat." Joitakin pieniä mustia aukkoja uskotaan muodostuneen samaan aikaan, kun itse kosmos syntyi, alkuräjähdyksen aikaan lähes 14 miljardia vuotta sitten.

Vastaavasti supermassiiviset mustat aukot yksittäisissä galakseissa muodostuvat silloin, kun galaksit yhdistyvät olemassaoloon tähtienvälisestä aineesta. Muut mustat aukot muodostuvat a-nimisen väkivaltaisen tapahtuman seurauksenasupernova​.

Supernova on tähden implosiivinen eli "traumaattinen" kuolema, toisin kuin tähti palaa kuin jättimäinen taivaallinen ihmishenki. Tällaisia ​​tapahtumia tapahtuu, kun tähti on kuluttanut niin paljon polttoainetta, että se alkaa romahtaa oman massansa alla. Tämä räjähdys johtaa rebound-räjähdykseen, joka heittää pois suuren osan tähdestä jäljelle jääneistä, jättäen singulariteetin paikalleen.

Yksi edellä mainituista fyysikoiden ongelmista on, että mustan aukon osan tiheys, jota pidetään singulariteetina ei voida laskea muuksi kuin äärettömäksi, koska on epävarmaa kuinka pieni massa todellisuudessa on (esim. kuinka pieni tilavuus se on miehittää). Mustan aukon tiheyden laskemiseksi mielekkäästi on käytettävä sen Schwarzchild-sädettä.

Maamassan mustan aukon teoreettinen tiheys on noin 2 × 10²⁷ g / cm³ (Vertailun vuoksi veden tiheys on vain 1 g / cm³). Tällaista suuruutta on käytännössä mahdotonta asettaa jokapäiväiseen elämään, mutta kosmiset tulokset ovat ennustettavasti ainutlaatuisia. Tämän laskemiseksi jaat massan tilavuudella säteen "korjaamisen" jälkeen käyttämällä mustan aukon ja auringon suhteellisia massoja, kuten seuraavassa esimerkissä on esitetty.

​Esimerkkiongelma:Mustan aukon massa on noin 3,9 miljoonaa (3,9 × 10⁶) aurinkoja, joiden massan ollessa 1,99 × 10³³ grammaa, ja sen oletetaan olevan pallo, jonka Schwarzchild-säde on 3 × 10⁵ cm. Mikä on sen tiheys?

Ensin löydättapahtumahorisontin muodostavan pallon tehollinen sädekertomalla Schwarzchild-säde mustan aukon ja auringon massan suhteella, joka on 3,9 miljoonaa:

Laske sitten pallon tilavuus, joka löytyy kaavasta V = (4/3) πr³:

Jaa lopuksi pallon massa tällä tilavuudella tiheyden saamiseksi. Koska sinulle annetaan auringon massa ja se, että mustan aukon massa on 3,9 miljoonaa kertaa suurempi, voit laskea tämän massan (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Tiheys on siis:

Tähtitieteilijät ovat tuottaneet mustille aukoille erilaisia ​​luokitusjärjestelmiä, joista toinen perustuu pelkästään massaan ja toinen varaukseen ja pyörimiseen. Kuten edellä todettiin, suurin osa (ellei kaikki) mustia aukkoja pyörii akselin ympäri, kuten Maa itse.

Mustien aukkojen luokittelu massan perusteella tuottaa seuraavan järjestelmän:

• ​Alkuperäiset mustat reiät:Näiden massat ovat samanlaisia ​​kuin Maan. Nämä ovat puhtaasti hypoteettisia ja ovat saattaneet muodostua alueellisista painovoimahäiriöistä välittömän alkuräjähdyksen jälkeen.
• ​Tähtimassan mustat reiät:Aikaisemmin mainittu, niiden massat ovat noin 4-15 aurinkomassaa ja ne johtuvat keskimääräistä suuremman tähden "perinteisestä" romahduksesta sen eliniän lopussa.
• ​Välimassan mustat aukot:Vahvistamattomat vuodesta 2019 lähtien nämä mustat aukot - noin muutama tuhat kertaa niin massiivinen kuin aurinko - voivat esiintyä joissakin tähtijoukoissa ja myös myöhemmin kukoistaa supermassiivisiksi mustiksi aukkoiksi.
• ​Supermassiiviset mustat aukot:Aikaisemmin mainittu, näillä on miljoonasta miljardiin aurinkomassaa ja ne löytyvät suurten galaksien keskuksista.

Vaihtoehtoisessa järjestelmässä mustat aukot voidaan luokitella niiden kiertymisen ja varauksen mukaan:

• ​Schwarzschildin musta aukko:Tunnetaan myös nimellä astaattinen musta aukko, tämän tyyppinen musta aukko ei pyöri eikä siinä ole sähkövarausta. Siksi sille on ominaista yksinomaan massa.
• ​Kerrin musta aukko:Tämä on pyörivä musta aukko, mutta kuten Schwarzschildin mustassa aukossa, siinä ei ole sähkövarausta.
• ​Laskutettu musta aukko:Näitä on kahta lajiketta. Veloitettu,ei pyörivämusta aukko tunnetaan nimelläReissner-Nordstromin musta aukko, kun taas ladattu,pyörivämustaa aukkoa kutsutaan aKerr-Newmanin musta aukko​.

Olisit oikeassa, kun olisit alkanut miettiä, kuinka tiedemiehet ovat tehneet niin monia varmoja johtopäätöksiä esineistä, joita määritelmän mukaan ei voida visualisoida. Paljon tietoa mustista aukoista on päätelty suhteellisen lähellä olevien esineiden käyttäytymisestä ja ulkonäöstä. Kun musta aukko ja tähti ovat riittävän lähellä toisiaan, syntyy erityinen korkeaenerginen sähkömagneettinen säteily, joka voi kaataa hälyttävät tähtitieteilijät.

Suuria kaasusuihkuja voidaan joskus nähdä ulkonevan mustan aukon "päistä"; joskus tämä kaasu voi yhdistyä epämääräisesti pyöreään muotoon, joka tunnetaan nimelläkiinnityslevy. Lisäksi teoretoidaan, että mustat aukot lähettävät eräänlaista säteilyä, jota kutsutaan sopivastimustan aukon säteily(taiHawking-säteily). Tämä säteily voi paeta mustasta aukosta "aine-antiaine" -parien muodostumisen (esim.elektronitjapositroneja) aivan tapahtumahorisontin ulkopuolella, ja vain näiden parien positiivisten jäsenten emittointi lämpösäteilynä.

EnnenHubble-avaruusteleskooppivuonna 1990 tähtitieteilijät olivat pitkään hämmentäneet nimeämiään hyvin kaukaisia ​​esineitäkvasaareja, pakkaus "lähes tähtien esineistä". Kuten supermassiiviset mustat aukot, joiden olemassaolo oli löydettiin myöhemmin, nämä nopeasti pyörivät suurenergiset esineet löytyvät suurten keskuksista galaksit. Mustia aukkoja pidetään nyt kokonaisuuksina, jotka ohjaavat kvasaarien käyttäytymistä, jotka löytyvät vain valtavilta etäisyyksiltä, ​​koska ne olivat olemassa kosmoksen suhteellisessa lapsenkengissä; heidän valonsa on juuri saavuttamassa maapallon noin 13 miljardin vuoden kauttakulun jälkeen.

Jotkut astrofyysikot ovat ehdottaneet, että galaksit, jotka näyttävät maalta katsottuna olevan erilaisia ​​perustyyppejä, voivat itse asiassa olla saman tyyppisiä, mutta niiden eri puolet on esitetty kohti Maata. Joskus kvasaarienergia on näkyvissä ja tarjoaa eräänlaisen "majakka" -vaikutuksen maapallon suhteen instrumentit tallentavat kvasarin toiminnan, kun taas muina aikoina galaksit näyttävät "hiljaisemmilta" niiden takia suuntautuminen.