Juodosios skylės sudėtis

Išgirdus frazę „juodoji skylė“, ji beveik neabejotinai sukelia paslapties ir nuostabos jausmą, galbūt nuspalvintą pavojaus elementu. Nors terminas „juodoji skylė“ kasdieninėje kalboje tapo „vietos, kur kažkas eina, niekada nematyti“ sinonimu vėlgi, "dauguma žmonių yra susipažinę su jo naudojimu astronomijos pasaulyje, jei nebūtinai su tiksliomis savybėmis ir apibrėžimai.

Dešimtmečius tarp dažniausių juodųjų skylių apibendrinančių susilaikymų buvo „vietos, kur gravitacija tokia stipri, net šviesa gali pabėgti. "Nors tai yra pakankamai tiksli santrauka pradėti, natūralu, kad įdomu, kaip gali nutikti toks dalykas su.

Kiti klausimai gausūs. Kas yra juodosios skylės viduje? Ar yra skirtingų tipų juodųjų skylių? O koks yra tipinis juodosios skylės dydis, darant prielaidą, kad toks dalykas egzistuoja ir jį galima išmatuoti? Hablo teleskopo paleidimas sukėlė revoliuciją, kaip galima tirti juodąsias skyles.

Prieš gilinantis į juodųjų skylių ir blogų žodžių temą, naudinga peržvelgti pagrindinę terminologiją, naudojamą apibrėžiant juodųjų skylių savybes ir geometriją.

Pažymėtina, kad kiekvienos juodosios skylės faktinis centras yra asavitumas, kurį sudaro taip suspausta medžiaga, kad ji yra beveik taškinė masė. Dėl didžiulio tankio susidaro toks galingas gravitacijos laukas, kad iki tam tikro atstumo net fotonai, kurie yra šviesos „dalelės“, negali išsilaisvinti. Šis atstumas yra žinomas kaipŠvarcchildo spindulys; nesisukančioje juodojoje skylėje (ir apie dinamiškesnį tipą sužinosite kitame skyriuje), nematoma sfera, kurios spindulys yra vienas, o jos centre yra vienaskaita, sudaroįvykio horizontas​.

Žinoma, tai nepaaiškina, iš kur iš tikrųjų atsiranda juodosios skylės. Ar jie pasirodo spontaniškai ir atsitiktinėse vietose visame kosmose? Jei taip, ar jų išvaizdą galima nuspėti? Atsižvelgiant į jų paslėptą galią, būtų naudinga žinoti, ar juodoji skylė gali planuoti įrengti parduotuvę visai šalia Žemės saulės sistemos.

Juodųjų skylių egzistavimas pirmą kartą buvo pasiūlytas 1700-aisiais, tačiau to meto mokslininkams trūko priemonių, reikalingų bet kuriam jų pasiūlytam patvirtinti. 1900-ųjų pradžioje vokiečių astronomas Karlas Schwarzchildas (taip, tas) naudojo Einšteino bendrosios teorijos reliatyvumas siekiant nustatyti fiziškai ryškiausią juodųjų skylių elgesį - jų sugebėjimą „sulaikyti“ šviesą.

Teoriškai, remiantis Schwarzchildo darbu, bet kokia masė galėtų būti juodosios skylės pagrindas. Vienintelis reikalavimas yra tai, kad suglaudus jo spindulys neviršytų Schwarzchild spindulio.

Juodųjų skylių egzistavimas fizikams suteikė mįslę, nors ir viliojančią bandymą išspręsti. Manoma, kad dėka erdvės ir laiko kreivumo, atsirandančio dėl nepaprastos gravitacijos jėgos šalia juodosios skylės, veikiantys fizikos dėsniai sugenda; kadangi įvykių horizontui pasiekti negalima pagal žmogaus analizę, šis konfliktas iš tikrųjų nėra astrofizikų konfliktas.

Jei galvojate apie juodosios skylės dydį kaip apie sferą, kurią suformuoja įvykių horizontas, tankis yra gerokai kitoks, nei jei juoda skylė traktuojama tik kaip juokingai maža sugriuvusi žvaigždė, kurios masė sudaro singuliarumą (plačiau apie tai momentas).

Mokslininkai mano, kad juodosios skylės gali būti tokios mažos, kaip tam tikri atomai, tačiau masė turi tiek pat, kiek kalnas Žemėje. Kita vertus, kai kurie gali būti maždaug 15 kartų masyvesni už saulę, tačiau vis dar yra maži (bet ne atominio dydžio). Šiežvaigždžių juodosios skylėsyra visose galaktikose, įskaitant Paukščių Taką, kuriame gyvena Žemė ir Saulės sistema.

Dar kitos juodosios skylės gali būti daug, daug didesnės. Šiesupermasyvios juodosios skylėsgali būti daugiau nei milijoną kartų masyvesnė už saulę, ir manoma, kad kiekvienos galaktikos centre yra viena. Tas, kuris yra Paukščių Tako centre, dubliuotasŠaulys A, yra pakankamai didelis, kad tilptų keli milijonai Žemės, tačiau šis tūris nublanksta, palyginti su objekto mase - manoma, kad tai yra 4 milijonai saulės.

Manoma, kad užuot susidarius ir nenuspėjamai pasirodžius grėsmei, apie kurią anksčiau buvo lengvai užsiminta, juodosios skylės susidaro tuo pačiu metu kaip ir didesni objektai, kuriuose jie gyvena." Manoma, kad kai kurios mažos juodosios skylės atsirado tuo pačiu metu, kai atsirado pats kosmosas, Didžiojo sprogimo metu, beveik 14 milijardų metų. prieš.

Atitinkamai supermasyvios juodosios skylės atskirose galaktikose susidaro tuo metu, kai šios galaktikos susilieja iš tarpžvaigždinės medžiagos. Kitos juodosios skylės susidaro kaip smurtinio įvykio, vadinamo a, pasekmėsupernova​.

Supernova yra implozyvi arba „traumuojanti“ žvaigždės mirtis, priešingai nei žvaigždė, perdegusi kaip milžiniškas dangaus žarnas. Tokie įvykiai įvyksta tada, kai žvaigždė išeikvoja tiek degalų, kad pradeda kristi po savo mase. Šis įsibrovimas sukelia atšokusį sprogimą, kuris išmeta didžiąją dalį to, kas liko žvaigždėje, o jos vietoje palieka savitumą.

Viena iš minėtų fizikų problemų yra ta, kad juodosios skylės dalies tankis laikomas singuliarumu negalima apskaičiuoti kaip nieko, išskyrus begalinį, nes nėra aišku, kokia maža iš tikrųjų masė (pvz., kiek jos tūris yra mažas) užima). Norint prasmingai apskaičiuoti juodosios skylės tankį, reikia naudoti jos Schwarzchild spindulį.

Žemės masės juodosios skylės teorinis tankis yra apie 2 × 10²⁷ g / cm³ (pavyzdžiui, vandens tankis yra tik 1 g / cm³). Tokio dydžio praktiškai neįmanoma įtraukti į kasdienio gyvenimo kontekstą, tačiau kosminiai rezultatai yra nuspėjamai unikalūs. Norėdami tai apskaičiuoti, „pakoregavę“ spindulį naudodami santykinę juodosios skylės ir saulės masę, padalykite masę iš tūrio, kaip parodyta kitame pavyzdyje.

​Pavyzdinė problema:Juodosios skylės masė yra apie 3,9 milijono (3,9 × 10⁶) saulės, kurių saulės masė yra 1,99 × 10³³ gramų, ir laikoma, kad tai sfera, kurios Schwarzchildo spindulys yra 3 × 10⁵ cm. Koks jo tankis?

Pirmiausia raskiteefektinis sferos spindulys, formuojantis įvykio horizontąpadauginus Schwarzchild spindulį iš juodosios skylės ir saulės masės santykio, nurodyto kaip 3,9 mln.

Tada apskaičiuokite sferos tūrį, nustatytą pagal formulę V = (4/3) πr³:

Galiausiai padalykite rutulio masę iš šio tūrio, kad gautumėte tankį. Kadangi jums suteikiama saulės masė ir faktas, kad juodosios skylės masė yra 3,9 milijono kartų didesnė, galite šią masę apskaičiuoti kaip (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Todėl tankis yra:

Astronomai sukūrė skirtingas juodųjų skylių klasifikavimo sistemas - viena, pagrįsta vien tik mase, kita - pagal krūvį ir sukimąsi. Kaip pažymėta praeinant aukščiau, dauguma (jei ne visos) juodosios skylės sukasi aplink ašį, kaip ir pati Žemė.

Klasifikuojant juodąsias skyles pagal masę gaunama tokia sistema:

• ​Pirminės juodosios skylės:Jų masė panaši į Žemės. Tai yra grynai hipotetiniai ir galėjo atsirasti dėl regioninių gravitacijos sutrikimų iškart po Didžiojo sprogimo.
• ​Žvaigždžių masės juodosios skylės:Anksčiau minėta, kad jų masė yra nuo 4 iki 15 saulės masių ir atsiranda dėl „tradicinio“ didesnės nei vidutinės žvaigždės žlugimo jos gyvenimo trukmės gale.
• ​Tarpinės masinės juodosios skylės:Nepatvirtintos nuo 2019 m., Šios juodosios skylės - maždaug kelis tūkstančius kartų masyvesnės už saulę - gali egzistuoti kai kuriose žvaigždžių grupėse, o vėliau gali sužydėti ir supermasyviomis juodosiomis skylėmis.
• ​Supermasyvios juodosios skylės:Taip pat minėta anksčiau, jos gali pasigirti nuo milijono iki milijardo saulės masių ir yra didelių galaktikų centruose.

Alternatyvioje schemoje juodosios skylės gali būti suskirstytos pagal jų pasisukimą ir krūvį:

• ​Schwarzschild juodoji skylė:Taip pat žinomas kaip astatinė juodoji skylė, tokio tipo juodoji skylė nesisuka ir neturi elektros krūvio. Todėl jam būdinga vien jo masė.
• ​Kerro juodoji skylė:Tai yra besisukanti juoda skylė, tačiau ji, kaip ir Schwarzschildo juodoji skylė, neturi elektros krūvio.
• ​Įkrauta juodoji skylė:Tai yra dviejų rūšių. Apmokestintas,nesisukantysjuodoji skylė yra žinoma kaip a„Reissner-Nordstrom“ juodoji skylė, o kaltinamas,sukasijuodoji skylė vadinama aKerro-Newmano juodoji skylė​.

Būsi teisus, jei pradėjai domėtis, kaip mokslininkai padarė tiek daug pasitikinčių išvadų apie objektus, kurių pagal apibrėžimą negalima vizualizuoti. Daug žinių apie juodąsias skyles galima spręsti dėl gana netoliese esančių objektų elgesio ir išvaizdos. Kai juodoji skylė ir žvaigždė yra pakankamai arti vienas kito, atsiranda ypatingos rūšies didelės energijos elektromagnetinė spinduliuotė, kuri gali nuversti budrius astronomus.

Kartais iš juodosios skylės „galų“ galima išsikišti dideles dujų sroves; kartais šios dujos gali susijungti į miglotai apskritą formą, vadinamą ankaupimo diskas. Toliau teorizuojama, kad juodosios skylės skleidžia tam tikrą radiaciją, vadinamą tinkamaijuodosios skylės spinduliuotė(arbaVanagų ​​radiacija). Ši spinduliuotė gali ištrūkti iš juodosios skylės dėl „materijos ir antimaterijos“ porų susidarymo (pvz.,elektronaiirpozitronai), esančius tik už įvykio horizonto, ir paskesnė tik teigiamų šių porų narių emisija kaip šiluminė spinduliuotė.

Prieš pradedantHablo kosminis teleskopas1990 m. astronomai ilgai galvojo apie labai tolimus jų įvardintus objektuskvazarai, „beveik žvaigždžių objektų“ suspaudimas. Kaip supermasyvios juodosios skylės, kurių egzistavimas buvo atrasti vėliau, šie greitai besisukantys didelės energijos objektai yra didžiųjų centruose galaktikos. Juodosios skylės dabar laikomos subjektais, skatinančiais kvazarų elgseną, kurie randami tik labai dideliais atstumais, nes jie egzistavo santykiniame kosmoso kūdikystėje; jų šviesa tik dabar pasiekia Žemę po maždaug 13 milijardų metų tranzito.

Kai kurie astrofizikai pasiūlė, kad galaktikos, kurios, atrodo, yra skirtingi pagrindiniai tipai, žiūrint iš Žemės, iš tikrųjų gali būti to paties tipo, tačiau skirtingos jų pusės pateiktos Žemės link. Kartais kvazaro energija yra matoma ir suteikia tam tikrą „švyturio“ efektą, atsižvelgiant į tai, kaip Žemė prietaisai fiksuoja kvazaro veiklą, o kitu metu dėl jų galaktikos atrodo „tylesnės“ orientacija.