Skład czarnej dziury

Kiedy słyszysz frazę „czarna dziura”, prawie na pewno wywołuje to poczucie tajemniczości i zachwytu, być może zabarwione elementem niebezpieczeństwa. Podczas gdy termin „czarna dziura” stał się w języku potocznym synonimem „miejsca, w którym coś się dzieje, którego nigdy nie widać” znowu”, większość ludzi jest zaznajomiona z jego zastosowaniem w świecie astronomii, jeśli niekoniecznie z precyzyjnymi funkcjami i definicje.

Od dziesięcioleci jednym z najczęstszych refrenów podsumowujących czarne dziury jest „miejsce, w którym grawitacja jest tak silna, że ​​nawet nie światło może uciec”. Chociaż na początek jest to wystarczająco dokładne podsumowanie, naturalne jest zastanawianie się, jak coś takiego mogło się zacząć z.

Mnożą się inne pytania. Co jest w czarnej dziurze? Czy istnieją różne rodzaje czarnych dziur? A jaki jest typowy rozmiar czarnej dziury, zakładając, że taka rzecz istnieje i można ją zmierzyć? Uruchomienie Teleskopu Hubble'a zrewolucjonizowało sposób badania czarnych dziur.

Zanim zagłębimy się w temat czarnych dziur – i złych kalamburów – warto zapoznać się z podstawową terminologią używaną do definiowania właściwości i geometrii czarnych dziur.

Przede wszystkim każda czarna dziura ma w swoim efektywnym środku, aosobliwość, który składa się z materii tak skompresowanej, że jest prawie masą punktową. Powstała w ten sposób ogromna gęstość wytwarza pole grawitacyjne tak silne, że na pewną odległość nie mogą uwolnić się nawet fotony, które są „cząstkami” światła. Ta odległość jest znana jakoPromień Schwarzchilda; w nierotującej czarnej dziurze (o bardziej dynamicznym typie dowiesz się w dalszej części), niewidzialna sfera o tym promieniu z osobliwością w jej środku tworzyhoryzont zdarzeń​.

Oczywiście nic z tego nie wyjaśnia, skąd właściwie pochodzą czarne dziury. Czy pojawiają się spontanicznie iw przypadkowych miejscach w kosmosie? Jeśli tak, czy jest jakaś przewidywalność ich wyglądu? Biorąc pod uwagę ich osławioną moc, warto byłoby wiedzieć, czy czarna dziura nie planuje założyć sklepu w ogólnym sąsiedztwie Układu Słonecznego Ziemi.

Istnienie czarnych dziur zostało po raz pierwszy zaproponowane w XVIII wieku, ale ówczesnym naukowcom brakowało instrumentów potrzebnych do potwierdzenia czegokolwiek z tego, co zaproponowali. Na początku XX wieku niemiecki astronom Karl Schwarzchild (tak, ten) wykorzystał teorię generalną Einsteina teoria względności w celu ustalenia najbardziej widocznego fizycznie zachowania czarnych dziur – ich zdolności do „łapania” światła.

Teoretycznie, opierając się na pracy Schwarzchilda, każda masa może służyć jako podstawa czarnej dziury. Jedynym wymaganiem jest, aby jego promień po skompresowaniu nie przekraczał jego promienia Schwarzchilda.

Istnienie czarnych dziur postawiło fizyków przed zagadką, choć kusząca do próby rozwiązania. Uważa się, że dzięki krzywiźnie czasoprzestrzeni wynikającej z niezwykłej siły grawitacji w sąsiedztwie czarnej dziury, prawa fizyki w efekcie załamują się; ponieważ horyzont zdarzeń jest niedostępny z ludzkiej analizy, ten konflikt w rzeczywistości nie jest konfliktem dla astrofizyków.

Jeśli pomyślimy o rozmiarze czarnej dziury jako sferze utworzonej przez horyzont zdarzeń, gęstość jest znacznie inna niż gdyby czarna dziura jest traktowana tylko jako śmiesznie maleńka zapadnięta gwiazda z masą tworzącą osobliwość (więcej na ten temat w za chwilę).

Naukowcy uważają, że czarne dziury mogą być tak małe, jak niektóre atomy, a mimo to posiadać masę taką jak góra na Ziemi. Z drugiej strony niektóre mogą być około 15 razy masywniejsze od Słońca, a jednocześnie są małe (ale nie atomowe). Tegwiezdne czarne dziuryznajdują się w różnych galaktykach, w tym w Drodze Mlecznej, w której znajduje się Ziemia i Układ Słoneczny.

Jeszcze inne czarne dziury mogą być znacznie większe. Tesupermasywne czarne dziurymoże być ponad milion razy masywniejszy od Słońca, a uważa się, że każda galaktyka ma jedną w swoim centrum. Ten w centrum Drogi Mlecznej, nazwanyStrzelec A, jest wystarczająco duża, aby pomieścić kilka milionów mas Ziemi, ale ta objętość blednie w porównaniu z masą obiektu – szacuje się, że wynosi ona 4 miliony słońc.

Uważa się, że czarne dziury, zamiast tworzyć się i pojawiać w sposób nieprzewidywalny, jako zagrożenie, o którym wcześniej wspominano, powstają w tym samym czasie, co większe obiekty, w których oni żyją." Uważa się, że niektóre małe czarne dziury powstały w tym samym czasie, w którym powstał sam kosmos, w czasie Wielkiego Wybuchu prawie 14 miliardów lat temu.

Odpowiednio, supermasywne czarne dziury w poszczególnych galaktykach tworzą się w czasie, gdy galaktyki te łączą się z materią międzygwiazdową. Inne czarne dziury powstają w wyniku gwałtownego zdarzenia zwanego asupernowa​.

Supernowa to implozyjna lub „traumatyczna” śmierć gwiazdy, w przeciwieństwie do gwiazdy wypalającej się jak gigantyczny niebiański żar. Takie zdarzenia mają miejsce, gdy gwiazda wyczerpie tak dużo paliwa, że ​​zaczyna zapadać się pod własną masą. Ta implozja powoduje eksplozję odbicia, która odrzuca większość tego, co pozostało z gwiazdy, pozostawiając na swoim miejscu osobliwość.

Jednym z wyżej wymienionych problemów dla fizyków jest to, że gęstość części czarnej dziury uważana za osobliwość nie może być obliczona jako nic innego niż nieskończona, ponieważ nie jest pewne, jak mała jest w rzeczywistości masa (np. jak mała jest jej objętość zajmuje). Aby sensownie obliczyć gęstość czarnej dziury, należy użyć jej promienia Schwarzchilda.

Czarna dziura o masie Ziemi ma teoretyczną gęstość około 2 × 10²⁷ g/cm³ (dla porównania gęstość wody to zaledwie 1 g/cm³). Taka wielkość jest praktycznie niemożliwa do umieszczenia w kontekście codziennego życia, ale kosmiczne wyniki są przewidywalnie wyjątkowe. Aby to obliczyć, należy podzielić masę przez objętość po „skorygowaniu” promienia przy użyciu względnych mas czarnej dziury i słońca, jak pokazano w poniższym przykładzie.

​Przykładowy problem:Czarna dziura ma masę około 3,9 miliona (3,9 × 10⁶) słońc, o masie Słońca wynoszącej 1,99 × 10³³ gramów i przyjmuje się, że jest to kula o promieniu Schwarzchilda 3 × 10⁵ cm. Jaka jest jego gęstość?

Najpierw znajdźefektywny promień kuli tworzącej horyzont zdarzeńmnożąc promień Schwarzchilda przez stosunek masy czarnej dziury do masy Słońca, wyrażony jako 3,9 miliona:

Następnie oblicz objętość kuli ze wzoru V = (4/3)πr³:

Na koniec podziel masę kuli przez tę objętość, aby uzyskać gęstość. Ponieważ masz masę Słońca i fakt, że masa czarnej dziury jest 3,9 miliona razy większa, możesz obliczyć tę masę jako (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ sol. Gęstość wynosi zatem:

Astronomowie stworzyli różne systemy klasyfikacji czarnych dziur, jeden oparty na samej masie, a drugi na ładunku i rotacji. Jak wspomniano powyżej, większość (jeśli nie wszystkie) czarnych dziur obraca się wokół osi, tak jak sama Ziemia.

Klasyfikowanie czarnych dziur na podstawie masy daje następujący układ:

• ​Pierwotne czarne dziury:Mają one masy podobne do ziemskich. Są one czysto hipotetyczne i mogły powstać w wyniku regionalnych zaburzeń grawitacyjnych w bezpośrednim następstwie Wielkiego Wybuchu.
• ​Czarne dziury o masie gwiazdowej:Wspomniane wcześniej, mają one masy od około 4 do 15 mas Słońca i wynikają z „tradycyjnego” zapadania się większej niż przeciętna gwiazdy na końcu jej życia.
• ​Czarne dziury o masie pośredniej:Niepotwierdzone w 2019 roku, te czarne dziury – około kilka tysięcy razy masywniejsze od Słońca – mogą istnieć w niektórych gromadach gwiazd, a później mogą rozkwitać w supermasywne czarne dziury.
• ​Supermasywne czarne dziury:Wspomniane wcześniej, mają one od miliona do miliarda mas Słońca i znajdują się w centrach dużych galaktyk.

W alternatywnym schemacie czarne dziury można podzielić na kategorie zgodnie z ich rotacją i ładunkiem:

• ​Czarna dziura Schwarzschilda:Znany również jakostatyczna czarna dziura, ten typ czarnej dziury nie obraca się i nie ma ładunku elektrycznego. Charakteryzuje się zatem jedynie swoją masą.
• ​Czarna dziura Kerra:To obracająca się czarna dziura, ale podobnie jak czarna dziura Schwarzschilda, nie ma ładunku elektrycznego.
• ​Naładowana czarna dziura:Występują w dwóch odmianach. naładowany,nieobrotoweczarna dziura jest znana jako aCzarna dziura Reissnera-Nordstroma, podczas gdy naładowany,obrotowyczarna dziura nazywa się aCzarna dziura Kerra-Newmana​.

Miałbyś rację, gdybyś zaczął się zastanawiać, w jaki sposób naukowcy wyciągnęli tak wiele pewnych wniosków na temat obiektów, których z definicji nie można zwizualizować. Duża wiedza na temat czarnych dziur została wywnioskowana z zachowania i wyglądu stosunkowo pobliskich obiektów. Kiedy czarna dziura i gwiazda znajdują się wystarczająco blisko siebie, powstaje specjalny rodzaj wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego, które może ostrzec astronomów.

Czasami można zobaczyć duże dżety gazu wystające z „końców” czarnej dziury; czasami gaz ten może zlewać się w niewyraźnie okrągłą formę znaną jako andysk akrecyjny. Ponadto istnieje teoria, że ​​czarne dziury emitują promieniowanie zwane odpowiedniopromieniowanie czarnej dziury(lubPromieniowanie Hawkinga). Promieniowanie to może uciec z czarnej dziury dzięki tworzeniu się par „materia-antymateria” (np.elektronyipozytony) tuż poza horyzontem zdarzeń, a następnie emisja tylko dodatnich członków tych par jako promieniowanie cieplne.

Przed uruchomieniemKosmiczny teleskop Hubblew 1990 roku astronomowie długo zastanawiali się nad bardzo odległymi obiektami, które nazwalikwazary, kompresja „obiektów quasi-gwiazdowych”. Jak supermasywne czarne dziury, których istnienie było odkryte później, te szybko wirujące wysokoenergetyczne obiekty znajdują się w centrach dużych galaktyki. Czarne dziury są obecnie uważane za byty, które kierują zachowaniem kwazarów, które znajdują się tylko na ogromne odległości, ponieważ istniały we względnym niemowlęctwie kosmosu; ich światło właśnie dociera do Ziemi po około 13 miliardach lat w tranzycie.

Niektórzy astrofizycy sugerowali, że galaktyki, które wydają się być różnymi podstawowymi typami, patrząc z Ziemi, mogą w rzeczywistości być tego samego typu, ale z różnymi stronami zwróconymi w kierunku Ziemi. Czasami energia kwazara jest widoczna i zapewnia coś w rodzaju efektu „latarni morskiej” w odniesieniu do tego, jak Ziemia instrumenty rejestrują aktywność kwazara, podczas gdy innym razem galaktyki wydają się bardziej „cichsze” z powodu ich orientacja.