Sastav crne rupe

Kad čujete izraz "crna rupa", to gotovo sigurno izaziva osjećaj tajne i čuđenja, možda prekriven elementom opasnosti. Iako je izraz "crna rupa" u svakodnevnom jeziku postao sinonim za "mjesto koje nešto odlazi, a nikad se neće vidjeti opet, "većina ljudi upoznata je s njezinom uporabom u svijetu astronomije, ako ne nužno s preciznim značajkama i definicije.

Već desetljećima među najčešćim refrenima koji sažimaju crne rupe nalazi se na liniji "mjesta gdje je gravitacija tako jaka, čak ni svjetlost može pobjeći. "Iako je ovo dovoljno točan sažetak za početak, prirodno je zapitati se kako takvo što može početi s.

Ostalih pitanja ima na pretek. Što je unutar crne rupe? Postoje li različite vrste crnih rupa? A koja je tipična veličina crne rupe, pod pretpostavkom da tako nešto postoji i može se izmjeriti? Lansiranje teleskopa Hubble revolucioniralo je način na koji se mogu proučavati crne rupe.

Prije nego što uđete duboko u temu crnih rupa - i loših igre riječi, korisno je preći na osnovnu terminologiju koja se koristi za definiranje svojstava i geometrije crnih rupa.

Najvažnije je da svaka crna rupa ima svoje učinkovito središte, asingularnost, koji se sastoji od materije toliko stisnute da je gotovo točkovna masa. Ogromna gustoća koja nastaje stvara gravitacijsko polje toliko snažno da se na određenoj udaljenosti ne mogu osloboditi ni fotoni koji su "čestice" svjetlosti. Ova udaljenost poznata je kaoRadijus Schwarzchilda; u nerotirajućoj crnoj rupi (a o dinamičnijem tipu saznat ćete u sljedećem odjeljku), nevidljiva kugla s tim radijusom s singularnošću u središtu tvorihorizont događaja​.

Naravno, ništa od ovoga ne objašnjava odakle zapravo dolaze crne rupe. Pojavljuju li se spontano i na slučajnim mjestima u čitavom kozmosu? Ako da, postoji li predvidivost njihovog izgleda? Uzimajući u obzir njihovu hvaljenu moć, bilo bi korisno znati planira li crna rupa postaviti trgovinu u općoj blizini Zemljinog Sunčevog sustava.

Postojanje crnih rupa prvi je put predloženo 1700-ih, ali tadašnjim znanstvenicima nedostajali su instrumenti potrebni da potvrde bilo što od onoga što su predložili. Početkom 1900-ih njemački astronom Karl Schwarzchild (da, taj) koristio se Einsteinovom teorijom općenito relativnosti kako bi se utvrdilo fizički najistaknutije ponašanje crnih rupa - njihova sposobnost "zarobljavanja" svjetlosti.

U teoriji, na temelju Schwarzchildova djela, svaka masa mogla bi poslužiti kao osnova za crnu rupu. Jedini uvjet je da njegov radijus nakon sabijanja ne prelazi Schwarzchildov radijus.

Postojanje crnih rupa stvorilo je fizičarima zagonetku, premda primamljivu za pokušaj rješavanja. Vjeruje se da se zahvaljujući zakrivljenosti prostora i vremena koja je rezultat izvanredne sile gravitacije u blizini crne rupe, zakoni fizike koji se na snazi ​​ruše; jer je horizont događaja nedostupan iz ljudske analize, ovaj sukob zapravo nije sukob za astrofizičare.

Ako netko razmišlja o veličini crne rupe kao sferi koju tvori horizont događaja, gustoća je daleko drugačija nego ako je crna rupa se umjesto toga tretira samo kao smiješno sićušna srušena zvijezda s masom koja stvara singularnost (više o tome u trenutak).

Znanstvenici vjeruju da crne rupe mogu biti malene poput određenih atoma, a posjeduju masu kao planina na Zemlji. S druge strane, neki mogu biti i do 15-ak puta masivniji od sunca, dok su i dalje majušni (ali ne atomske veličine). Ovizvjezdane crne rupenalaze se u galaksijama, uključujući Mliječni put, u kojem borave Zemlja i Sunčev sustav.

Ipak druge crne rupe mogu biti puno, puno veće. Ovisupermasivne crne rupemože biti više od milijun puta masivnija od sunca, a vjeruje se da svaka galaksija ima jednu u svom središtu. Ona u središtu Mliječnog puta, nazvanaStrijelac A, dovoljno je velik da može zadržati nekoliko milijuna Zemlja, ali ovaj volumen blijedi u usporedbi s masom objekta - procjenjuje se da je ona od 4 milijuna sunca.

Vjeruje se da se crne rupe, umjesto da se stvaraju i pojavljuju nepredvidivo, prijetnja na koju se prije nagovještavalo, stvaraju istodobno s većim objektima u kojima oni žive." Vjeruje se da su neke malene crne rupe nastale u isto vrijeme kad je nastao i sam kozmos, u vrijeme Velikog praska, gotovo 14 milijardi godina prije.

Sukladno tome, supermasivne crne rupe unutar pojedinih galaksija nastaju u vrijeme kad se te galaksije udruže u postojanje iz međuzvjezdane tvari. Ostale crne rupe nastaju kao posljedica nasilnog događaja nazvanog asupernova​.

Supernova je implozivna ili "traumatična" smrt zvijezde, za razliku od zvijezde koja izgara poput gigantske nebeske žeravice. Takvi se događaji događaju kada zvijezda iscrpi toliko goriva da se počne urušavati pod vlastitom masom. Ova implozija rezultira povratnom eksplozijom koja odbacuje veći dio onoga što je ostalo od zvijezde, ostavljajući na svom mjestu singularnost.

Jedan od gore spomenutih problema fizičara je taj što se gustoća dijela crne rupe smatra singularnošću ne može se izračunati kao bilo što drugo osim beskonačno, jer je nesigurno koliko je masa zapravo mala (npr. koliko je mali volumen zauzima). Da bi se smisleno izračunala gustoća crne rupe, mora se koristiti njezin Schwarzchildov polumjer.

Crna rupa mase Zemlje ima teoretsku gustoću oko 2 × 10²⁷ g / cm³ (za referencu, gustoća vode je samo 1 g / cm³). Takvu veličinu praktički je nemoguće staviti u kontekst svakodnevnog života, ali kozmički su rezultati predvidljivo jedinstveni. Da biste to izračunali, masu podijelite s volumenom nakon što ste "ispravili" radijus koristeći relativne mase crne rupe i sunca, kao što je prikazano u sljedećem primjeru.

​Uzorak problema:Masa crne rupe je oko 3,9 milijuna (3,9 × 10⁶) sunca, s masom sunca 1,99 × 10³³ grama, a pretpostavlja se da je kugla sa Schwarzchildovim radijusom 3 × 10⁵ cm. Kolika je njegova gustoća?

Prvo pronađiteefektivni radijus kugle koja tvori horizont događajamnoženjem Schwarzchildovog radijusa omjerom mase crne rupe i mase sunca, dane kao 3,9 milijuna:

Zatim izračunajte volumen kugle, pronađen iz formule V = (4/3) πr³:

Konačno, podijelite masu kugle s tim volumenom da se dobije gustoća. Budući da vam je dana masa sunca i činjenica da je masa crne rupe 3,9 milijuna puta veća, ovu masu možete izračunati kao (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Gustoća je dakle:

Astronomi su stvorili različite sustave klasifikacije crnih rupa, jedan koji se temelji samo na masi, a drugi na temelju naboja i rotacije. Kao što je gore spomenuto, većina (ako ne i sve) crne rupe rotiraju se oko osi, poput same Zemlje.

Klasifikacija crnih rupa na temelju mase daje sljedeći sustav:

• ​Iskonske crne rupe:Imaju mase slične Zemljinoj. To su čisto hipotetički i možda su nastali regionalnim gravitacijskim poremećajima neposredno nakon Velikog praska.
• ​Crne rupe zvjezdane mase:Prije spomenute, one imaju mase između oko 4 i 15 Sunčevih masa i rezultat su "tradicionalnog" kolapsa zvijezde veće od prosjeka na kraju njezina životnog vijeka.
• ​Crne rupe srednje mase:Nepotvrđene od 2019. godine, ove crne rupe - otprilike nekoliko tisuća puta masivnije od sunca - mogu postojati u nekim zvjezdanim nakupinama, a kasnije mogu i procvjetati u supermasivne crne rupe.
• ​Supermasivne crne rupe:Također prethodno spomenuti, oni se mogu pohvaliti između milijun do milijardu Sunčevih masa i nalaze se u središtima velikih galaksija.

U alternativnoj shemi, crne rupe mogu se kategorizirati prema njihovoj rotaciji i naboju:

• ​Schwarzschildova crna rupa:Također poznat kao astatična crna rupa, ova vrsta crne rupe se ne okreće i nema električni naboj. Stoga ga karakterizira sama njegova masa.
• ​Kerrova crna rupa:Ovo je rotirajuća crna rupa, ali poput Schwarzschildove crne rupe, ona nema električni naboj.
• ​Napunjena crna rupa:Postoje u dvije varijante. Napunjen,nerotirajućicrna rupa poznata je kao aReissner-Nordstrom crna rupa, dok se naplaćuje,rotacionicrna rupa naziva se aKerr-Newmanova crna rupa​.

S pravom biste se pitali kako su znanstvenici izvukli toliko samopouzdanih zaključaka o objektima koji se po definiciji ne mogu vizualizirati. Mnogo znanja o crnim rupama zaključeno je ponašanjem i izgledom relativno objekata u blizini. Kad su crna rupa i zvijezda dovoljno blizu, nastaje posebna vrsta visokoenergetskog elektromagnetskog zračenja koja može dati upozorenje astronomima.

Ponekad se mogu vidjeti velike mlaznice plina koje strše s "krajeva" crne rupe; ponekad se taj plin može spojiti u nejasno kružni oblik poznat kaoakrecijski disk. Dalje se teoretizira da crne rupe emitiraju vrstu zračenja koja se naziva, na odgovarajući način,zračenje crne rupe(iliHawkingovo zračenje). To zračenje može pobjeći iz crne rupe zbog stvaranja parova "materija-antimaterija" (npr.elektroniipozitroni) neposredno izvan horizonta događaja i naknadne emisije samo pozitivnih članova ovih parova kao toplinsko zračenje.

Prije pokretanjaSvemirski teleskop Hubble1990. astronomi su dugo zbunjivali vrlo udaljene objekte koje su imenovalikvazare, kompresija "kvazizvjezdanih objekata." Poput supermasivnih crnih rupa, čije je postojanje i bilo otkriveni kasnije, ti se brzo vrtložni visokoenergetski objekti nalaze u središtima velikih galaksije. Crne rupe sada se smatraju entitetima koji pokreću ponašanje kvazara, a nalaze se na ogromnim udaljenostima jer su postojali u relativnom djetinjstvu kozmosa; njihova svjetlost tek sada doseže Zemlju nakon nekih 13 milijardi godina u tranzitu.

Neki astrofizičari su predložili da galaksije koje se čine različitim osnovnim tipovima kad se gledaju sa Zemlje mogu u stvari biti istog tipa, ali s različitim stranama koje su prikazane prema Zemlji. Ponekad je energija kvazara vidljiva i pruža svojevrsni "svjetionički" efekt u smislu kako Zemlja instrumenti bilježe aktivnost kvazara, dok se u drugim vremenima galaksije čine "tišima" zbog svojih orijentacija.