Compoziția unui orificiu negru

Când auziți sintagma „gaură neagră”, ea evocă aproape sigur un sentiment de mister și mirare, probabil colorat cu un element de pericol. În timp ce termenul „gaură neagră” a devenit sinonim în limbajul de zi cu zi cu „un loc în care merge ceva, să nu fie văzut niciodată din nou, "majoritatea oamenilor sunt familiarizați cu utilizarea sa în lumea astronomiei, dacă nu neapărat cu caracteristici precise și definiții.

De zeci de ani, printre cele mai frecvente refrenuri care însumează găuri negre a fost pe linia „unui loc în care gravitația este atât de puternică, nici măcar lumina poate scăpa. "Deși acesta este un rezumat suficient de precis pentru a începe, este firesc să ne întrebăm cum ar putea începe un astfel de lucru cu.

Alte întrebări abundă. Ce este în interiorul unei găuri negre? Există diferite tipuri de găuri negre? Și ce este o dimensiune tipică a găurii negre, presupunând că așa ceva există și poate fi măsurat? Lansarea Telescopului Hubble a revoluționat modul în care ar putea fi studiate găurile negre.

Înainte de a intra adânc în tema găurilor negre - și a jocurilor de cuvinte rele - este util să treceți peste terminologia de bază utilizată pentru a defini proprietățile și geometria găurilor negre.

În special, fiecare gaură neagră are în centrul său efectiv, asingularitate, care constă din materie atât de comprimată încât este aproape o masă punctuală. Densitatea enormă rezultată produce un câmp gravitațional atât de puternic încât la o anumită distanță, nici măcar fotonii, care sunt „particulele” de lumină, nu se pot elibera. Această distanță este cunoscută sub numele deRaza Schwarzchild; într-o gaură neagră care nu se rotește (și veți afla despre tipul mai dinamic într-o secțiune ulterioară), sfera invizibilă cu această rază cu singularitatea în centru formeazăorizontul evenimentelor​.

Desigur, nimic din toate acestea nu explică de unde provin efectiv găurile negre. Apar ele spontan și în locuri aleatorii în tot cosmosul? Dacă da, există vreo previzibilitate a aspectului lor? Având în vedere puterea lor bântuită, ar fi util să știm dacă o gaură neagră ar putea planifica instalarea unui magazin în vecinătatea generală a sistemului solar al Pământului.

Existența găurilor negre a fost propusă pentru prima dată în anii 1700, dar oamenii de știință de atunci nu aveau instrumentele necesare pentru a confirma ceea ce propuseseră. La începutul anilor 1900, astronomul german Karl Schwarzchild (da, acela) a folosit teoria generală a lui Einstein relativitatea pentru a stabili cel mai proeminent comportament fizic al găurilor negre - capacitatea lor de a „prinde” lumina.

În teorie, pe baza operei lui Schwarzchild, orice masă ar putea servi drept bază pentru o gaură neagră. Singura cerință este ca raza sa după comprimare să nu depășească raza Schwarzchild.

Existența găurilor negre a prezentat fizicienilor o enigmă, deși una atrăgătoare pentru a încerca să rezolve. Se crede că, datorită curburii spațiu-timp rezultate din forța gravitațională extraordinară din vecinătatea găurii negre, legile fizicii în vigoare se descompun; deoarece orizontul evenimentelor este inaccesibil din analiza umană, acest conflict nu este de fapt un conflict pentru astrofizicieni.

Dacă ne gândim la dimensiunea găurii negre ca la sfera formată de orizontul evenimentelor, densitatea este mult diferită decât în ​​cazul în care negrul gaura este tratată în schimb doar ca o stea prăbușită minunat, cu o masă care formează singularitatea (mai multe despre aceasta într-un moment).

Oamenii de știință cred că găurile negre pot fi la fel de mici ca anumiți atomi, dar posedă la fel de multă masă ca un munte de pe Pământ. Pe de altă parte, unele pot fi de până la aproximativ 15 ori mai mari decât soarele, fiind încă mici (dar nu de dimensiuni atomice). Acestegăuri negre stelarese găsesc în galaxii, inclusiv în Calea Lactee, în care se află Pământul și sistemul solar.

Încă alte găuri negre pot fi mult, mult mai mari. Acestegăuri negre supermasivepoate fi de peste un milion de ori mai masiv ca soarele și se crede că fiecare galaxie are una în centrul său. Cel din centrul Căii Lactee, supranumitSăgetător A, este suficient de mare pentru a conține câteva milioane de pământuri, dar acest volum se estompează în comparație cu masa obiectului - estimată a fi cea a 4 milioane de sori.

În loc să se formeze și să apară imprevizibil, o amenințare ușor sugerată anterior, se crede că găurile negre se formează în același timp cu obiectele mai mari în care ei locuiesc." Se crede că unele găuri negre minuscule s-au format în același timp în care cosmosul însuși a luat ființă, în momentul Big Bang-ului, aproape 14 miliarde de ani în urmă.

În mod corespunzător, găurile negre supermasive din galaxiile individuale se formează în momentul în care aceste galaxii se unesc în materie interstelară. Alte găuri negre se formează ca urmare a unui eveniment violent numit asupernova​.

O supernovă este moartea implosivă sau „traumatică” a unei stele, spre deosebire de o stea care arde ca o gigantică brățară cerească. Astfel de evenimente apar atunci când o stea și-a epuizat atât de mult combustibilul încât începe să se prăbușească sub propria sa masă. Această implozie are ca rezultat o explozie de revenire care aruncă o mare parte din ceea ce rămâne din stea, lăsând o singularitate la locul ei.

Una dintre problemele menționate mai sus pentru fizicieni este aceea că densitatea porțiunii găurii negre considerată singularitate nu poate fi calculat ca altceva decât infinit, deoarece nu este sigur cât de mică este de fapt masa (de exemplu, cât de mic este ocupă). Pentru a calcula în mod semnificativ densitatea unei găuri negre, trebuie folosită raza sa Schwarzchild.

O gaură neagră de masă terestră are o densitate teoretică de aproximativ 2 × 10²⁷ g / cm³ (pentru referință, densitatea apei este de doar 1 g / cm³). O astfel de amploare este practic imposibil de pus în contextul vieții de zi cu zi, dar rezultatele cosmice sunt previzibil de unice. Pentru a calcula acest lucru, împărțiți masa la volum după „corectarea” razei folosind masele relative ale găurii negre și ale soarelui, așa cum se arată în exemplul următor.

​Eșantion de problemă:O gaură neagră are masa de aproximativ 3,9 milioane (3,9 × 10⁶) soarele, masa soarelui fiind de 1,99 × 10³³ grame și se presupune că este o sferă cu o rază Schwarzchild de 3 × 10⁵ cm. Care este densitatea sa?

Mai întâi, găsițiraza efectivă a sferei care formează orizontul evenimentelorprin înmulțirea razei Schwarzchild cu raportul dintre masa găurii negre și cea a soarelui, dată ca 3,9 milioane:

Apoi calculați volumul sferei, găsit din formula V = (4/3) πr³:

În cele din urmă, împărțiți masa sferei la acest volum pentru a obține densitatea. Deoarece vi se dă masa soarelui și faptul că masa găurii negre este de 3,9 milioane de ori mai mare, puteți calcula această masă ca (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Prin urmare, densitatea este:

Astronomii au produs diferite sisteme de clasificare pentru găurile negre, unul bazat doar pe masă și celălalt bazat pe sarcină și rotație. După cum s-a observat în trecerea de mai sus, majoritatea (dacă nu toate) găurile negre se rotesc în jurul unei axe, ca Pământul însuși.

Clasificarea găurilor negre pe baza masei dă următorul sistem:

• ​Găuri negre primordiale:Acestea au mase similare cu cele ale Pământului. Acestea sunt pur ipotetice și s-ar fi putut forma prin tulburări gravitaționale regionale imediat după Big Bang.
• ​Găuri negre de masă stelară:Menționate anterior, acestea au mase cuprinse între aproximativ 4 și 15 mase solare și rezultă din prăbușirea „tradițională” a unei stele mai mari decât media la capătul duratei sale de viață.
• ​Găuri negre de masă intermediară:Neconfirmate începând cu 2019, aceste găuri negre - de câteva mii de ori mai mari decât soarele - pot exista în unele grupuri de stele și, de asemenea, mai târziu pot înflori în găuri negre supermasive.
• ​Găuri negre supermasive:De asemenea, menționate anterior, acestea se mândresc între un milion și un miliard de mase solare și se găsesc în centrele marilor galaxii.

Într-o schemă alternativă, găurile negre pot fi clasificate în funcție de rotația și încărcarea lor:

• ​Gaura neagră Schwarzschild:De asemenea, cunoscut sub numele degaura neagra statica, acest tip de gaură neagră nu se rotește și nu are încărcare electrică. Prin urmare, se caracterizează doar prin masa sa.
• ​Gaura neagră Kerr:Aceasta este o gaură neagră rotativă, dar ca o gaură neagră Schwarzschild, nu are încărcare electrică.
• ​Gaura neagră încărcată:Acestea vin în două soiuri. O taxată,nerotabilgaura neagra este cunoscuta sub numele deGaura neagră Reissner-Nordstrom, în timp ce este taxat,rotiregaura neagra se numeste aGaura neagră Kerr-Newman​.

Ați avea dreptate să fi început să vă întrebați cum oamenii de știință au tras atâtea concluzii încrezătoare despre obiecte care, prin definiție, nu pot fi vizualizate. Multe cunoștințe despre găurile negre au fost deduse de comportamentul și aspectul obiectelor relativ apropiate. Când o gaură neagră și o stea sunt suficient de apropiate între ele, rezultă un tip special de radiații electromagnetice cu energie ridicată și poate dezactiva astronomii.

Jeturi mari de gaz pot fi uneori văzute proiectându-se din „capetele” unei găuri negre; uneori, acest gaz se poate uni într-o formă vag circulară cunoscută sub numele dedisc de acumulare. Se mai teorizează că găurile negre emit un fel de radiații numite, în mod adecvat,radiația găurii negre(sauRadiații Hawking). Această radiație poate scăpa de gaura neagră datorită formării perechilor „materie-antimaterie” (de exemplu,electronișipozitroni) chiar în afara orizontului evenimentelor și emiterea ulterioară a numai membrilor pozitivi ai acestor perechi ca radiație termică.

Înainte de lansareaTelescop spațial Hubbleîn 1990, astronomii au nedumerit mult timp asupra obiectelor foarte îndepărtate pe care le-au numitquasarii, o compresie de „obiecte cvasi-stelare”. La fel ca găurile negre supermasive, a căror existență a fost descoperite mai târziu, aceste obiecte cu energie ridicată care se învârt rapid se găsesc în centrele marilor galaxii. Găurile negre sunt acum considerate drept entitățile care conduc comportamentul quasarilor, care se găsesc doar la distanțe enorme, deoarece au existat în copilăria relativă a cosmosului; lumina lor abia acum ajunge pe Pământ după aproximativ 13 miliarde de ani în tranzit.

Unii astrofizicieni au propus că galaxiile care par a fi diferite tipuri de bază atunci când sunt privite de pe Pământ pot fi de fapt același tip, dar cu laturi diferite ale acestora prezentate spre Pământ. Uneori, energia quasarului este vizibilă și oferă un fel de efect de „far” în ceea ce privește modul în care Pământul instrumentele înregistrează activitatea quasarului, în timp ce alteori galaxiile par mai „liniștite” din cauza lor orientare.