Sammensetningen av et svart hull

Når du hører uttrykket "svart hull", vekker det nesten helt sikkert en følelse av mystikk og undring, kanskje farget med et element av fare. Mens begrepet "svart hull" har blitt synonymt i hverdagsspråket med "et sted noe går, aldri å bli sett igjen, "de fleste er kjent med bruken i astronomiverden, om ikke nødvendigvis med presise funksjoner og definisjoner.

I flere tiår har blant de vanligste refrengene som oppsummerer sorte hull vært i retning av "et sted hvor tyngdekraften er så sterk, ikke engang lys kan unnslippe. "Selv om dette er et nøyaktig nok sammendrag til å begynne med, er det naturlig å lure på hvordan noe slikt kan skje for å begynne med.

Andre spørsmål florerer. Hva er inne i et svart hull? Er det forskjellige typer sorte hull? Og hva er en typisk svart hullstørrelse, forutsatt at en slik ting eksisterer og kan måles? Lanseringen av Hubble Telescope revolusjonerte hvordan sorte hull kunne studeres.

Før du går dypt inn i temaet sorte hull - og dårlige ordspill - er det nyttig å gå gjennom den grunnleggende terminologien som brukes til å definere egenskapene og geometrien til sorte hull.

Aller viktigst har hvert sorte hull et effektivt senter, asingularitet, som består av materie så komprimert at det nesten er en punktmasse. Den enorme resulterende tettheten produserer et gravitasjonsfelt så kraftig at ut til en viss avstand, ikke engang fotoner, som er "partiklene" til lys, kan bryte løs. Denne avstanden er kjent somSchwarzchild-radius; i et ikke-roterende svart hull (og du vil lære om den mer dynamiske typen i et påfølgende avsnitt), danner den usynlige sfæren med denne radiusen med singulariteten i sentrumbegivenhetshorisont​.

Selvfølgelig forklarer ikke noe av dette hvor sorte hull faktisk kommer fra. Popper de opp spontant og på tilfeldige steder i hele kosmos? Er det i så fall noen forutsigbarhet i utseendet? Tatt i betraktning deres hevdede kraft, ville det være nyttig å vite om et svart hull kanskje planlegger å etablere butikk i nærheten av Jordens solsystem.

Eksistensen av sorte hull ble først foreslått på 1700-tallet, men datidens forskere manglet instrumentene som trengs for å bekrefte noe av det de hadde foreslått. Tidlig på 1900-tallet brukte den tyske astronomen Karl Schwarzchild (ja, den ene) Einsteins generelle teori relativitet for å etablere de mest fysisk fremtredende oppførselen til sorte hull - deres evne til å "fange" lys.

I teorien, basert på Schwarzchilds arbeid, kan enhver masse tjene som grunnlag for et svart hull. Det eneste kravet er at radiusen etter komprimering ikke overskrider Schwarzchild-radiusen.

Eksistensen av sorte hull har gitt fysikere en gåte, om enn en forlokkende å forsøke å løse. Det antas at takket være romtid-krumning som følge av den ekstraordinære tyngdekraften i nærheten av det svarte hullet, bryter fysikkens lover i praksis ned; fordi hendelseshorisonten er utilgjengelig fra menneskelig analyse, er denne konflikten egentlig ikke en konflikt for astrofysikere.

Hvis man tenker på størrelsen på svart hull som sfæren dannet av begivenhetshorisonten, er tettheten langt annerledes enn om den svarte hull behandles i stedet bare som den latterlige, lille kollapset stjernen med masse som danner singulariteten (mer om dette i en øyeblikk).

Forskere mener at sorte hull kan være like små som visse atomer, men likevel ha like mye masse som et fjell på jorden. På den annen side kan noen være omtrent 15 ganger så massive som solen mens de fremdeles er små (men ikke atomare). Dissestjernesorte hullfinnes i galakser, inkludert Melkeveien, der jorden og solsystemet befinner seg.

Fortsatt andre sorte hull kan være mye, mye større. Dissesupermassive sorte hullkan være mer enn en million ganger så massiv som solen, og hver galakse antas å ha en i sentrum. Den i sentrum av Melkeveien, kaltSkytten A, er stor nok til å romme noen få millioner jordarter, men dette volumet blekner i forhold til objektets masse - anslått til å være den for 4 millioner soler.

I stedet for å danne seg og virke uforutsigbart, antas en trussel som lett antydes tidligere, antas det at svarte hull dannes samtidig med de større gjenstandene der de lever." Noen små sorte hull antas å ha dannet seg samtidig som kosmos selv ble til, på tidspunktet for Big Bang nesten 14 milliarder år siden.

Tilsvarende dannes supermassive sorte hull i individuelle galakser på det tidspunktet disse galaksene smelter sammen til interstellar materie. Andre sorte hull dannes som en konsekvens av en voldelig hendelse kalt asupernova​.

En supernova er den implosive, eller "traumatiske" døden til en stjerne, i motsetning til en stjerne som brenner ut som en gigantisk himmelsk glød. Slike hendelser skjer når en stjerne har brukt opp så mye av drivstoffet at det begynner å kollapse under sin egen masse. Denne implosjonen resulterer i en rebound-eksplosjon som kaster bort mye av det som er igjen av stjernen, og etterlater en egenart i stedet.

Et av de ovennevnte problemene for fysikere er at tettheten til den delen av det sorte hullet betraktes som singulariteten kan ikke beregnes som noe annet enn uendelig, siden det er usikkert hvor liten massen faktisk er (f.eks. hvor lite volum den okkuperer). For å beregne tettheten til et svart hull meningsfullt, må dens Schwarzchild-radius brukes.

Et svart hull med jordmasse har en teoretisk tetthet på omtrent 2 × 10²⁷ g / cm³ (for referanse er tettheten av vannet bare 1 g / cm³). En slik størrelse er praktisk talt umulig å sette inn i hverdagens sammenheng, men de kosmiske resultatene er forutsigbare unike. For å beregne dette deler du massen med volumet etter å ha "korrigert" radien ved hjelp av de relative massene til det svarte hullet og solen, som vist i følgende eksempel.

​Eksempel på problem:Et svart hull har en masse på rundt 3,9 millioner (3,9 × 10⁶) soler, med solmassen 1,99 × 10³³ gram, og antas å være en kule med en Schwarzchild-radius på 3 × 10⁵ cm. Hva er dens tetthet?

Finn førsteffektiv radius av sfæren som danner begivenhetshorisontenved å multiplisere Schwarzchild-radiusen med forholdet mellom massen av det sorte hullet og solens, gitt som 3,9 millioner:

Beregn så kulevolumet, funnet fra formelen V = (4/3) πr³:

Til slutt, del massen av kulen med dette volumet for å oppnå tettheten. Fordi du får solens masse og det faktum at det svarte hullets masse er 3,9 millioner ganger større, kan du beregne denne massen som (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Tettheten er derfor:

Astronomer har produsert forskjellige klassifiseringssystemer for sorte hull, en basert på masse alene og den andre basert på ladning og rotasjon. Som nevnt i forbifarten ovenfor, roterer de fleste (om ikke alle) sorte hull rundt en akse, som jorden selv.

Klassifisering av sorte hull basert på masse gir følgende system:

• ​Ursorte sorte hull:Disse har masser som ligner på jorden. Disse er rent hypotetiske og kan ha dannet seg gjennom regionale gravitasjonsforstyrrelser i umiddelbar etterdyning av Big Bang.
• ​Stellar massesorte hull:Tidligere nevnt har disse massene mellom 4 og 15 solmasser og skyldes den "tradisjonelle" kollapsen til en stjerne som er større enn gjennomsnittet ved enden av levetiden.
• ​Mellomliggende sorte hull:Ubekreftet fra og med 2019 kan disse sorte hullene - omtrent noen få tusen ganger så massive som solen - eksistere i noen stjerneklynger, og senere kan de blomstre ut i supermassive sorte hull.
• ​Supermassive sorte hull:Disse er også nevnt tidligere, og har mellom en million til en milliard solmasser og finnes i sentrum av store galakser.

I en alternativ ordning kan sorte hull kategoriseres i henhold til rotasjon og ladning i stedet:

• ​Schwarzschild svart hull:Også kjent som enstatisk svart hull, denne typen sorte hull roterer ikke og har ingen elektrisk ladning. Det er derfor preget av massen alene.
• ​Kerr svart hull:Dette er et roterende svart hull, men som et Schwarzschild-svart hull har det ingen elektrisk ladning.
• ​Ladet svart hull:Disse kommer i to varianter. En belastet,ikke-roterendesvart hull er kjent som enReissner-Nordstrom svart hull, mens en ladet,roterendesvart hull kalles aKerr-Newman sorte hull​.

Du ville ha rett i å ha begynt å lure på hvordan forskere har trukket så mange sikre konklusjoner om objekter som per definisjon ikke kan visualiseres. Mye kunnskap om sorte hull har blitt utledet av oppførsel og utseende av relativt nærliggende objekter. Når et svart hull og en stjerne er tett nok sammen, resulterer en spesiell type højenergi-elektromagnetisk stråling som kan tipse våken astronomer.

Noen ganger kan det sees store gassstråler som rager ut fra "endene" på et svart hull; noen ganger kan denne gassen smelte sammen i en svakt sirkulær form kjent som entilvekstdisk. Det teoriseres videre at sorte hull avgir en slags stråling som på passende måte kallessvart hullstråling(ellerHawking-stråling). Denne strålingen kan unnslippe det svarte hullet på grunn av dannelsen av "materie-antimateriale" -par (f.eks.elektronerogpositroner) like utenfor begivenhetshorisonten, og den påfølgende utslipp av bare de positive medlemmene av disse parene som termisk stråling.

Før lanseringen avHubble-romteleskopi 1990 hadde astronomer lenge forundret seg over svært fjerne gjenstander de kaltekvasarer, en komprimering av "kvasi-stjernegjenstander." Som supermassive sorte hull, hvis eksistens var oppdaget senere, er disse raskt virvlende høyenergigjenstandene funnet i sentrum av store galakser. Svarte hull blir nå sett på som enhetene som driver oppførselen til kvasarer, som bare finnes enorme avstander fordi de eksisterte i den relative barndommen til kosmos; lyset deres når akkurat nå jorden etter rundt 13 milliarder år i transitt.

Noen astrofysikere har foreslått at galakser som ser ut til å være forskjellige basistyper sett fra jorden, faktisk kan være av samme type, men med forskjellige sider av dem presentert mot jorden. Noen ganger er kvasarenergien synlig og gir en slags "fyr" -effekt når det gjelder hvordan jorden instrumenter registrerer kvasarens aktivitet, mens andre ganger galakser virker mer "stille" på grunn av deres orientering.