Amikor meghallja a "fekete lyuk" kifejezést, ez szinte biztosan a rejtély és a csodálkozás érzetét kelti, talán veszélyességi elemekkel árasztva el. Míg a "fekete lyuk" kifejezés a mindennapi nyelvben szinonimává vált a "hely, ahova megy, soha nem látni megint: "a legtöbb ember ismeri a csillagászati világban való alkalmazását, ha nem is feltétlenül pontos jellemzőivel és definíciók.
Évtizedek óta a fekete lyukakat összefoglaló leggyakoribb refrének körében "olyan hely mentén haladt, ahol a gravitáció olyan erős, még a fény el tud menekülni. "Bár ez elég pontos összefoglaló a kezdéshez, természetes, hogy csodálkozunk azon, hogyan történhet egy ilyen dolog val vel.
További kérdések vannak. Mi van a fekete lyukban? Vannak különböző típusú fekete lyukak? És mi a tipikus fekete lyuk mérete, ha feltételezzük, hogy ilyen létezik és mérhető? A Hubble teleszkóp elindítása forradalmasította a fekete lyukak tanulmányozását.
Alapvető fekete lyuk tények
Mielőtt elmélyülne a fekete lyukak - és a rossz szójátékok - témájában, hasznos áttekinteni a fekete lyukak tulajdonságainak és geometriájának meghatározásához használt alapvető terminológiát.
Különösen, hogy minden fekete lyuk tényleges középpontjában van, aszingularitás, amely olyan tömörített anyagból áll, hogy szinte ponttömeg. A hatalmas eredményű sűrűség olyan erős gravitációs mezőt hoz létre, hogy egy bizonyos távolságra még a fotonok sem szabadulhatnak fel, amelyek a fény "részecskéi". Ez a távolság aSchwarzchild sugár; egy nem forgó fekete lyukban (és a következő szakaszban megismerheti a dinamikusabb típust), a láthatatlan gömb, amelynek sugara ekkora a szingularitás a közepén,eseményhorizont.
Természetesen ezek egyike sem magyarázza, honnan származnak valójában a fekete lyukak. Spontán és véletlenszerű helyeken bukkannak fel az egész kozmoszban? Ha igen, van-e valamilyen kiszámíthatóság a megjelenésükben? Figyelembe véve a kitüntetett erejüket, hasznos lehet tudni, tervez-e egy fekete lyuk bolt létesítését a Föld naprendszerének általános közelében.
A fekete lyukak története: elméletek és korai bizonyítékok
A fekete lyukak létezését először az 1700-as években javasolták, de a kor tudósainak hiányoztak a szükséges eszközök ahhoz, hogy megerősítsék bármelyiket, amit javasoltak. Az 1900-as évek elején Karl Schwarzchild német csillagász (igen, az) Einstein általános elméletét használta relativitáselmélet, hogy megállapítsák a fekete lyukak fizikailag legkiemelkedőbb viselkedését - a fény "csapdájába" való képességüket.
Elméletileg Schwarzchild munkája alapján bármely tömeg felhasználhatja a fekete lyuk alapját. Az egyetlen követelmény, hogy összenyomása után sugara ne haladja meg a Schwarzchild sugarát.
A fekete lyukak létezése a fizikusoknak gondot adott, bár csábító kísérletet tett a megoldására. Úgy gondolják, hogy a tér-idő görbületének köszönhetően, amely a fekete lyuk közelében lévő rendkívüli gravitációs erőből adódik, a fizika törvényei érvényben vannak; mivel az eseményhorizont emberi elemzés alapján nem érhető el, ez a konfliktus valójában nem asztrofizikusok konfliktusa.
A fekete lyukak mérete
Ha valaki a fekete lyuk méretére gondol, mint az eseményhorizont által alkotott gömbre, akkor a sűrűség messze eltér attól, mintha a fekete lenne a lyukat csak a nevetségesen apró, összeomlott csillagként kezelik, amelynek tömege képezi a szingularitást (erről bővebben egy pillanat).
A tudósok úgy vélik, hogy a fekete lyukak ugyanolyan aprók lehetnek, mint bizonyos atomok, ugyanakkor olyan tömegűek, mint egy hegy a Földön. Másrészt egyesek körülbelül 15-szer olyan hatalmasak lehetnek, mint a nap, miközben még mindig aprók (de nem atomi méretűek). Ezekcsillag fekete lyukaka galaxisokban találhatók, beleértve a Tejútrendszert is, amelyben a Föld és a Naprendszer lakik.
Még más fekete lyukak lehetnek sokkal, de sokkal nagyobbak. Ezekszupermasszív fekete lyukaktöbb mint milliószor olyan hatalmas lehet, mint a nap, és vélhetően minden galaxisnak van egy a közepén. A Tejút közepén levő, szinkronizáltNyilas A, elég nagy ahhoz, hogy néhány millió Földet befogadjon, de ez a mennyiség halványabb az objektum tömegéhez képest - becslések szerint 4 millió napé.
Fekete lyukak kialakulása
Ahelyett, hogy kiszámíthatatlanul kialakulna és felbukkanna, korábban fenyegetésre utalt egy fenyegetés, úgy gondolják, hogy a fekete lyukak egyidejűleg keletkeznek a nagyobb tárgyakkal, amelyekben élnek." Úgy gondolják, hogy néhány apró fekete lyuk keletkezett egyidejűleg a kozmosz létrejöttével, az ősrobbanás idején, majdnem 14 milliárd évvel ezelőtt ezelőtt.
Ennek megfelelően szupermasszív fekete lyukak alakulnak ki az egyes galaxisokban abban az időben, amikor ezek a galaxisok egyesülnek a csillagközi anyagból. Más fekete lyukak keletkeznek az a nevű erőszakos esemény következményekéntszupernóva.
A szupernóva a csillag implozív vagy "traumatikus" halála, szemben a csillag égésével, mint egy óriási égi parázs. Ilyen események akkor fordulnak elő, amikor egy csillag annyi üzemanyagot fogyaszt, hogy a saját tömege alatt összeomlik. Ez az elrobbantás egy visszapattanó robbanást eredményez, amely eldobja a csillag maradványainak nagy részét, és szingularitást hagy a helyén.
A fekete lyukak sűrűsége
A fizikusok számára az egyik fent említett probléma az, hogy a fekete lyuk szingularitásnak tekintett részének sűrűsége nem lehet másként számolni, mint végtelen, mivel bizonytalan, hogy a tömeg valójában milyen apró (pl. milyen kis térfogatú) elfoglalja). A fekete lyuk sűrűségének értelmes kiszámításához a Schwarzchild sugarát kell használni.
A földtömegű fekete lyuk elméleti sűrűsége körülbelül 2 × 1027 g / cm3 (referenciaként a víz sűrűsége csupán 1 g / cm3). Ilyen nagyságrendű gyakorlatilag lehetetlen a mindennapi élet kontextusába helyezni, de a kozmikus eredmények kiszámíthatóan egyediek. Ennek kiszámításához elosztja a tömeget a térfogattal, miután a sugarat "korrigálta" a fekete lyuk és a nap relatív tömegének felhasználásával, amint azt a következő példa mutatja.
Minta probléma:A fekete lyuk tömege körülbelül 3,9 millió (3,9 × 106) napok, a nap tömege 1,99 × 1033 gramm, és feltételezzük, hogy olyan gömb, amelynek Schwarzchild sugara 3 × 105 cm. Mi a sűrűsége?
Először keresse meg aaz eseményhorizontot alkotó gömb effektív sugaramegszorozva a Schwarzchild sugarat a fekete lyuk és a nap tömegének arányával, amely 3,9 millió:
(3-szor 10 ^ 5-szer) \ -szer (3,9-szer 10 ^ 6-szor) = 1,2-szer 10 ^ {12} \ text {cm}
Ezután számítsa ki a gömb térfogatát, amely az V = (4/3) πr képletből származik3:
V = \ frac {4} {3} \ pi (1,2 \ szor 10 ^ {12}) ^ 3 = 7 \ szor 10 ^ {36} \ text {cm} ^ 3
Végül ossza el a gömb tömegét ezzel a térfogattal a sűrűség megszerzéséhez. Mivel megkapja a nap tömegét és azt a tényt, hogy a fekete lyuk tömege 3,9 milliószor nagyobb, akkor ezt a tömeget (3,9 × 106)(1.99 × 1033 g) = 7,76 × 1039 g. A sűrűség tehát:
\ frac {7.76 \ szor 10 ^ {39}} {7 \ szor 10 ^ {36}} = 1.1 \ szer 10 ^ 3 \ text {g / cm} ^ 3
A fekete lyukak típusai
A csillagászok különböző osztályozási rendszereket állítottak elő a fekete lyukak számára, az egyiket csak a tömeg alapján, a másikat pedig a töltés és a forgás alapján. Amint azt fentebb elhaladtam, a legtöbb (ha nem az összes) fekete lyuk egy tengely körül forog, mint maga a Föld.
A fekete lyukak tömeg szerinti osztályozása a következő rendszert eredményezi:
- Ős fekete lyukak:Ezek tömegei hasonlóak a Föld tömegéhez. Ezek pusztán hipotetikusak, és regionális gravitációs zavarok révén keletkezhettek az ősrobbanást követően.
- Csillag tömegű fekete lyukak:Korábban említettük, ezek tömege körülbelül 4 és 15 naptömeg között van, és egy átlagosnál nagyobb csillag "hagyományos" összeomlásából származnak élettartama végén.
- Közepes tömegű fekete lyukak:2019-től meg nem erősítve ezek a fekete lyukak - körülbelül néhány ezerszer olyan hatalmasak, mint a nap - létezhetnek egyes csillaghalmazokban, és később szupermasszív fekete lyukakká is virágozhatnak.
- Szupermasszív fekete lyukak:Korábban már említettük, hogy egymillió és egymilliárd naptömeg között büszkélkedhetnek, és a nagy galaxisok központjában találhatók.
Egy alternatív séma szerint a fekete lyukak elforgatásuk és töltésük szerint kategorizálhatók:
- Schwarzschild fekete lyuk:Más néven astatikus fekete lyuk, ez a fajta fekete lyuk nem forog és nincs elektromos töltése. Ezért egyedül a tömege jellemzi.
- Kerr fekete lyuk:Ez egy forgó fekete lyuk, de mint egy Schwarzschild fekete lyuk, nincs elektromos töltése.
- Töltött fekete lyuk:Ezek kétféle változatban kaphatók. Egy terhelt,nem forgóa fekete lyuk aReissner-Nordstrom fekete lyuk, miközben fel van töltve,forgófekete lyukat nevezzük aKerr-Newman fekete lyuk.
A fekete lyuk egyéb jellemzői
Igazad lenne, ha azon gondolkodnál, hogy a tudósok mennyi magabiztos következtetést vontak le az objektumokról, amelyek definíció szerint nem vizualizálhatók. A fekete lyukak sok ismeretére a viszonylag közeli tárgyak viselkedése és megjelenése vezetett. Ha egy fekete lyuk és egy csillag elég közel vannak egymáshoz, akkor egy különleges típusú nagy energiájú elektromágneses sugárzás keletkezik, és ez kibillentheti az éber csillagászokat.
A fekete lyuk "végeiből" néha nagy gázsugarakat lehet látni; néha ez a gáz egy homályosan kör alakúvá tud összeolvadniakkumulációs lemez. További elméletek szerint a fekete lyukak egyfajta sugárzást bocsátanak ki, amelyet megfelelő módonfekete lyuk sugárzás(vagyHawking-sugárzás). Ez a sugárzás elkerülheti a fekete lyukat az "anyag-antianyag" párok kialakulása miatt (pl.elektronokéspositronok) közvetlenül az eseményhorizonton kívül, és e párok csak pozitív tagjainak későbbi kibocsátása hősugárzásként.
AHubble űrtávcső1990-ben a csillagászok már régóta értetlenkedtek az általuk elnevezett nagyon távoli tárgyak miattkvazárok, a "kvázi csillag objektumok" tömörítése. Mint a szupermasszív fekete lyukak, amelyek létezése az volt később felfedezték, ezek a gyorsan kavargó nagy energiájú tárgyak a nagy központokban találhatók galaxisok. A fekete lyukakat ma a kvazárok viselkedését vezérlő entitásoknak tekintik, amelyek csak óriási távolságra találhatók, mivel a kozmosz viszonylagos gyermekkorában léteztek; fényük éppen most éri el a Földet, mintegy 13 milliárd év után.
Néhány asztrofizikus azt javasolta, hogy azok a galaxisok, amelyek a Földről nézve különböző alaptípusnak tűnnek, valójában ugyanazok a típusok lehetnek, de a Föld felé különböző oldaluk van. Néha a kvazárenergia látható és egyfajta "világítótorony" hatást nyújt a Föld működésének szempontjából a műszerek rögzítik a kvazár aktivitását, míg máskor a galaxisok "csendesebbnek" tűnnek miattuk irányultság.
