Melnās cauruma sastāvs

Dzirdot frāzi "melnais caurums", tas gandrīz noteikti izraisa noslēpumainības un brīnuma izjūtu, iespējams, piesātinātu ar briesmu elementu. Kaut arī termins "melnais caurums" ikdienas valodā ir kļuvis par sinonīmu vārdam "vieta, kur kaut kas iet, nekad nav redzams Atkal: "Lielākā daļa cilvēku ir iepazinušies ar tā izmantošanu astronomijas pasaulē, ja ne vienmēr ar precīzām iezīmēm un definīcijas.

Jau vairākus gadu desmitus viens no visbiežāk sastopamajiem atturīgajiem, kas apkopo melnos caurumus, ir bijis pēc "vietas, kur gravitācija ir tik spēcīga, pat ne gaisma var aizbēgt. "Lai gan tas ir pietiekami precīzs kopsavilkums, lai sāktu, ir dabiski brīnīties, kā šāda lieta varētu sākties ar.

Citu jautājumu ir daudz. Kas atrodas melnajā caurumā? Vai ir dažādi melno caurumu veidi? Un kāds ir tipisks melnās cauruma izmērs, pieņemot, ka šāda lieta pastāv un to var izmērīt? Habla teleskopa palaišana radīja pamatu melno caurumu izpētei.

Pirms iedziļināties tēmā par melnajiem caurumiem - un sliktajām vārdu spēlēm - ir noderīgi pārlasīt pamata terminoloģiju, ko izmanto, lai definētu melno caurumu īpašības un ģeometriju.

Vissvarīgākais ir tas, ka katra melnā cauruma faktiskais centrs ir avienreizīgums, kas sastāv no vielas, kas ir tik saspiesta, ka tā ir gandrīz punktu masa. Milzīgais iegūtais blīvums rada tik spēcīgu gravitācijas lauku, ka līdz noteiktam attālumam pat fotoni, kas ir gaismas "daļiņas", nevar atbrīvoties. Šis attālums ir pazīstams kāSchwarzchild rādiuss; nerotējošā melnajā caurumā (un nākamajā sadaļā jūs uzzināsit par dinamiskāku tipu), neredzamā sfēra ar šo rādiusu, kuras centrā ir vienskaitlis, veidonotikumu horizonts​.

Protams, nekas no tā nepaskaidro, no kurienes faktiski rodas melnie caurumi. Vai tās parādās spontāni un nejaušās vietās visā kosmosā? Ja jā, vai viņu izskatu var paredzēt? Ņemot vērā viņu izsmelto spēku, būtu lietderīgi uzzināt, vai melnā caurums plāno ierīkot veikalu Zemes Saules sistēmas tuvumā.

Melno caurumu esamība pirmo reizi tika ierosināta 1700. gados, taču tā laika zinātniekiem trūka instrumentu, kas vajadzīgi, lai apstiprinātu kādu no viņu ierosinātajiem. 1900. gadu sākumā vācu astronoms Karls Švarcilds (jā, tas viens) izmantoja Einšteina vispārējās teorijas relativitāte, lai noteiktu fiziski pamanāmāko melno caurumu uzvedību - to spēju “iesprostot” gaismu.

Teorētiski, pamatojoties uz Švarcilda darbu, jebkura masa varētu kalpot par pamatu melnajam caurumam. Vienīgā prasība ir tāda, ka pēc saspiešanas tā rādiuss nepārsniedz Schwarzchild rādiusu.

Melno caurumu esamība ir radījusi fiziķiem neizpratni, kaut arī pievilcīgu mēģinājumu atrisināt. Tiek uzskatīts, ka pateicoties telpas-laika izliekumam, kas rodas no ārkārtas smaguma spēka melnā cauruma tuvumā, faktiski fizikas likumi izjūk; Tā kā notikumu horizonts, pēc cilvēka analīzes, nav pieejams, astrofiziķiem šis konflikts patiesībā nav konflikts.

Ja kāds domā par melnās cauruma lielumu kā sfēru, ko veido notikuma horizonts, blīvums ir daudz atšķirīgs nekā tad, ja melnā caurumu tā vietā izturas tikai kā smieklīgi sīku sabrukušo zvaigzni ar masu, kas veido singularitāti (vairāk par to brīdi).

Zinātnieki uzskata, ka melnie caurumi var būt tikpat niecīgi kā noteikti atomi, tomēr tiem ir tikpat liela masa kā kalnam uz Zemes. No otras puses, daži var būt apmēram līdz 15 reizēm tikpat masīvi kā saule, kamēr tie joprojām ir mazi (bet ne atomu izmēri). Šiezvaigžņu melnie caurumiir sastopami visā galaktikās, ieskaitot Piena ceļu, kurā dzīvo Zeme un Saules sistēma.

Vēl citi melnie caurumi var būt daudz, daudz lielāki. Šiesupermasīvie melnie caurumivar būt vairāk nekā miljons reižu masīvāka kā saule, un tiek uzskatīts, ka katras galaktikas centrā ir viena. Piena ceļa centrā esošais, dublētsStrēlnieks A, ir pietiekami liels, lai turētu dažus miljonus Zemes, taču šis apjoms nobāl, salīdzinot ar objekta masu - tiek lēsts, ka tā ir 4 miljoniem saules.

Tā vietā, lai veidotos un neparedzami parādītos, par draudiem, par kuriem jau iepriekš tika domāts viegli, tiek uzskatīts, ka melnie caurumi veidojas vienlaikus ar lielākiem objektiem, kuros viņi dzīvo." Tiek uzskatīts, ka daži sīki melnie caurumi ir izveidojušies tajā pašā laikā, kad radās pats kosmoss, Lielā sprādziena laikā gandrīz 14 miljardus gadu. pirms.

Attiecīgi atsevišķu galaktiku iekšpusē veidojas supermasīvie melnie caurumi brīdī, kad šīs galaktikas saplūst no starpzvaigžņu matērijas. Citi melnie caurumi veidojas kā vardarbīga notikuma, ko sauc par a, sekassupernova​.

Supernova ir implozīva vai "traumatiska" zvaigznes nāve, pretstatā tam, ka zvaigzne izdeg kā gigantiska debess spīdums. Šādi notikumi notiek, kad zvaigzne ir iztērējusi tik daudz degvielas, ka tā sāk sabrukt zem savas masas. Šī ieplūšana rada atsitiena sprādzienu, kas izmet lielu daļu no zvaigznītē palikušā un tā vietā atstāj singularitāti.

Viena no iepriekšminētajām fiziķu problēmām ir tā, ka melnās cauruma daļas blīvums, ko uzskata par singularitāti nevar aprēķināt kā kaut ko citu kā bezgalīgu, jo nav skaidrs, cik maza ir masa (piemēram, cik mazs tilpums) aizņem). Lai jēgpilni aprēķinātu melnās cauruma blīvumu, jāizmanto tā Schwarzchild rādiuss.

Zemes masas melnā cauruma teorētiskais blīvums ir aptuveni 2 × 10²⁷ g / cm³ (atsaucei ūdens blīvums ir tikai 1 g / cm³). Šādu lielumu praktiski nav iespējams iekļaut ikdienas dzīves kontekstā, taču kosmiskie rezultāti ir paredzami unikāli. Lai to aprēķinātu, pēc rādiusa "korekcijas" izmantojat masu pēc tilpuma, izmantojot melnā cauruma un saules relatīvās masas, kā parādīts nākamajā piemērā.

​Problēmas paraugs:Melnā cauruma masa ir aptuveni 3,9 miljoni (3,9 × 10⁶) saules, kuru saules masa ir 1,99 × 10³³ grami, un tiek pieņemts, ka tā ir sfēra ar Švarcildes rādiusu 3 × 10⁵ cm. Kāds ir tā blīvums?

Pirmkārt, atrodietfaktiskais sfēras rādiuss, kas veido notikuma horizontureizinot Schwarzchild rādiusu ar melnā cauruma un saules masas attiecību, kas dota kā 3,9 miljoni:

Pēc tam aprēķiniet sfēras tilpumu, kas atrodams pēc formulas V = (4/3) πr³:

Visbeidzot, sadaliet sfēras masu ar šo tilpumu, lai iegūtu blīvumu. Tā kā jums tiek dota saules masa un fakts, ka melnā cauruma masa ir 3,9 miljonus reižu lielāka, jūs varat aprēķināt šo masu kā (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Tāpēc blīvums ir:

Astronomi ir izstrādājuši dažādas melno caurumu klasifikācijas sistēmas, viena balstās tikai uz masu, otra - uz lādiņu un rotāciju. Kā atzīmēts garāmejot iepriekš, lielākā daļa (ja ne visi) melnie caurumi griežas ap asi, tāpat kā pati Zeme.

Klasificējot melnos caurumus, pamatojoties uz masu, iegūst šādu sistēmu:

• ​Pirmie melnie caurumi:Viņu masas ir līdzīgas Zemes masām. Tie ir tīri hipotētiski un, iespējams, ir izveidojušies reģionālu gravitācijas traucējumu dēļ tūlīt pēc Lielā sprādziena.
• ​Zvaigžņu masas melnie caurumi:Iepriekš minēts, ka to masas ir no aptuveni 4 līdz 15 Saules masām, un tās rodas no "tradicionālās" lielākas nekā vidējās zvaigznes sabrukšanas tās dzīves ilguma galā.
• ​Starpposma melnie caurumi:Neapstiprināti no 2019. gada, šie melnie caurumi - apmēram dažus tūkstošus reižu masīvāki par sauli - var pastāvēt dažās zvaigžņu kopās un arī vēlāk var uzplaukt supermasīvos melnajos caurumos.
• ​Supermasīvie melnie caurumi:Iepriekš minēts, ka tie var būt no miljona līdz miljardam Saules masu un atrodami lielu galaktiku centros.

Alternatīvā shēmā melnos caurumus var iedalīt kategorijās pēc to rotācijas un lādiņa:

• ​Schwarzschild melnais caurums:Pazīstams arī kā astatiskais melnais caurums, šāda veida melnais caurums negriežas un tam nav elektriskā lādiņa. Tāpēc to raksturo tikai tā masa.
• ​Kerra melnais caurums:Šī ir rotējoša melnā caurums, bet tāpat kā Schwarzschild melnajā caurumā, tai nav elektriskā lādiņa.
• ​Uzlādēts melnais caurums:Tie ir divās šķirnēs. Iekasēts,negriežasmelnais caurums ir pazīstams kā aReissner-Nordstrom melnā caurumskamēr uzlādēts,rotējošsmelno caurumu sauc par aKerra-Ņūmena melnā caurums​.

Jums būtu taisnība, ja būtu sākuši domāt, kā zinātnieki ir izdarījuši tik daudz pārliecinošu secinājumu par objektiem, kurus pēc definīcijas nevar vizualizēt. Daudzas zināšanas par melnajiem caurumiem ir izsecinājušas salīdzinoši tuvu esošo objektu izturēšanās un izskats. Kad melnā caurums un zvaigzne ir pietiekami tuvu viens otram, rodas īpaša veida augstas enerģijas elektromagnētiskais starojums, un tas var nogāzt trauksmes astronomus.

Dažreiz var redzēt lielas gāzes strūklas, kas izvirzītas no melnā cauruma "galiem"; dažreiz šī gāze var saplūst neskaidri apļveida formā, kas pazīstama kāakumulācijas disks. Vēl tiek teorētiski, ka melnie caurumi izstaro sava veida starojumu, ko attiecīgi sauc parmelnā cauruma starojums(vaiHokinga starojums). Šis starojums var izkļūt no melnās cauruma, veidojoties "vielas-antimatērijas" pāriem (piem.,elektroniunpositrons), kas atrodas tieši ārpus notikumu horizonta, un turpmāko tikai šo pāru pozitīvo dalībnieku emisiju kā siltuma starojumu.

PirmsHabla kosmiskais teleskops1990. gadā astronomi jau sen bija neizpratnē par ļoti tālu viņu nosauktiem objektiemkvazāri, "gandrīz zvaigžņu objektu" saspiešana. Tāpat kā supermasīvie melnie caurumi, kuru esamība bija atklāti vēlāk, šie strauji virpuļojošie augstas enerģijas objekti atrodas lielu centru centrā galaktikas. Melnās bedrītes tagad tiek uzskatītas par vienībām, kas virza kvazāru uzvedību, kuri atrodas tikai milzīgos attālumos, jo tie pastāvēja kosmosa relatīvajā bērnībā; viņu gaisma tikko sasniedz Zemi pēc aptuveni 13 miljardu gadu ilgas tranzīta.

Daži astrofiziķi ir ierosinājuši, ka galaktikas, kas, skatoties no Zemes, šķiet, ir dažādi pamata veidi, patiesībā var būt viena tipa, bet ar dažādām to malām, kas izvietotas uz Zemi. Dažreiz kvazāra enerģija ir redzama un nodrošina sava veida "bākas" efektu attiecībā uz to, kā Zeme instrumenti reģistrē kvazāra darbību, turpretī citreiz galaktikas to dēļ šķiet klusākas orientācija.