Zloženie čiernej diery

Keď počujete frázu „čierna diera“, takmer určite to vyvolá pocit tajomstva a údivu, možno podfarbené prvkom nebezpečenstva. Zatiaľ čo pojem „čierna diera“ sa stal v každodennom jazyku synonymom pre „miesto, kam sa niečo dostane, nikdy neuvidieť opäť, „väčšina ľudí je oboznámená s jeho použitím v astronómii, ak nie nevyhnutne s presnými vlastnosťami a definície.

Po celé desaťročia bolo medzi najbežnejšie refrény zhrňujúce čierne diery v duchu „miesta, kde je gravitácia taká silná, dokonca svetlo môže uniknúť. “Aj keď je to na začiatku dostatočne presné zhrnutie, je prirodzené uvažovať, ako sa také niečo mohlo začať s.

Množstvo ďalších otázok. Čo je vo vnútri čiernej diery? Existujú rôzne typy čiernych dier? A aká je typická veľkosť čiernej diery, za predpokladu, že také niečo existuje a dá sa merať? Spustenie Hubbleovho teleskopu prinieslo revolúciu v tom, ako sa dajú študovať čierne diery.

Predtým, ako sa dostaneme hlboko do témy čiernych dier - a zlých slovných hračiek -, je užitočné prejsť si základnú terminológiu používanú na definovanie vlastností a geometrie čiernych dier.

Najvýznamnejšie je, že každá čierna diera má vo svojom účinnom strede, ajedinečnosť, ktorú tvorí hmota natoľko stlačená, že ide takmer o bodovú hmotu. Enormná výsledná hustota vytvára gravitačné pole také silné, že sa do určitej vzdialenosti nemôžu vymaniť ani fotóny, ktoré sú „časticami“ svetla. Táto vzdialenosť je známa akoPolomer Schwarzchild; v nerotujúcej čiernej diere (a o dynamickejšom type sa dozviete v nasledujúcej časti), neviditeľná guľa s týmto polomerom so singularitou v strede tvoríHorizont udalostí​.

Nič z toho samozrejme nevysvetľuje, odkiaľ vlastne čierne diery pochádzajú. Vyskytujú sa spontánne a na náhodných miestach v celom vesmíre? Ak je to tak, dá sa nejako predvídať ich vzhľad? Ak vezmeme do úvahy ich vychvaľovanú silu, bolo by užitočné vedieť, či by čierna diera mohla plánovať založenie obchodu vo všeobecnej blízkosti slnečnej sústavy Zeme.

Existencia čiernych dier bola prvýkrát navrhnutá v 17. rokoch 20. storočia, vtedajším vedcom však chýbali nástroje potrebné na potvrdenie všetkého, čo navrhli. Na začiatku 20. storočia nemecký astronóm Karl Schwarzchild (áno, ten) použil Einsteinovu všeobecnú teóriu relativity na stanovenie fyzikálne najvýznamnejšieho správania čiernych dier - ich schopnosti „zachytiť“ svetlo.

Teoreticky, na základe Schwarzchildovej práce, mohla akákoľvek hmota slúžiť ako základ pre čiernu dieru. Jedinou požiadavkou je, aby jeho polomer po komprimácii nepresiahol jeho polomer Schwarzchild.

Existencia čiernych dier priniesla fyzikom hlavolam, aj keď lákavým, ktorý sa pokúsili vyriešiť. Predpokladá sa, že vďaka časopriestorovému zakriveniu, ktoré je výsledkom mimoriadnej gravitačnej sily v blízkosti čiernej diery, sa fyzikálne zákony rozpadajú; pretože horizont udalostí je z ľudskej analýzy neprístupný, tento konflikt v skutočnosti nie je konfliktom pre astrofyzikov.

Ak si niekto predstaví veľkosť čiernej diery ako guľu tvorenú horizontom udalostí, hustota je ďaleko iná ako v prípade čiernej diery s otvorom sa zaobchádza iba ako so smiešnou drobnou zrútenou hviezdou s hmotou, ktorá tvorí singularitu (viac v tomto okamih).

Vedci sa domnievajú, že čierne diery môžu byť rovnako malé ako určité atómy, ale napriek tomu majú toľko hmoty ako hora na Zemi. Na druhej strane, niektoré môžu byť až asi 15-krát hmotnejšie ako slnko, hoci sú stále malé (ale nie atómovej veľkosti). Títohviezdne čierne dierysa nachádzajú v galaxiách vrátane Mliečnej dráhy, v ktorej sa nachádza Zem a slnečná sústava.

Ešte ďalšie čierne diery môžu byť oveľa, oveľa väčšie. Títosupermasívne čierne dierymôže byť viac ako miliónkrát hmotnejšia ako slnko a predpokladá sa, že každá galaxia má jednu vo svojom strede. Ten v strede Mliečnej dráhy, dabovanýStrelec A, je dostatočne veľký na to, aby pojal niekoľko miliónov Zeme, ale tento objem je bledý v porovnaní s hmotnosťou objektu - odhaduje sa na 4 milióny slnka.

Namiesto formovania a nepredvídateľného vzhľadu hrozby, ktorá je už skôr naznačená, sa predpokladá, že sa čierne diery vytvárajú súčasne s väčšími objektmi, v ktorých sa nachádzajú. žijú." Predpokladá sa, že niektoré malé čierne diery vznikli súčasne so vznikom samotného kozmu, v čase veľkého tresku takmer 14 miliárd rokov pred.

Zodpovedajúcim spôsobom sa supermasívne čierne diery v jednotlivých galaxiách formujú v čase, keď sa tieto galaxie spájajú do existencie z medzihviezdnej hmoty. Ďalšie čierne diery vznikajú v dôsledku násilnej udalosti zvanej asupernova​.

Supernova je implicitná alebo „traumatická“ smrť hviezdy, na rozdiel od hviezdy, ktorá horí ako gigantický nebeský záblesk. Takéto udalosti nastávajú, keď hviezda vyčerpala toľko paliva, že sa začne zrútiť pod svoju vlastnú hmotnosť. Táto implózia má za následok odrazovú explóziu, ktorá odhodí väčšinu zvyškov hviezdy a na jej mieste ponechá singularitu.

Jedným z vyššie spomenutých problémov fyzikov je, že hustota časti čiernej diery sa považuje za singularitu nemožno vypočítať ako nič iné ako nekonečné, pretože nie je isté, aká malá je hmotnosť v skutočnosti (napr. ako malý objem) zaberá). Na zmysluplné vypočítanie hustoty čiernej diery je potrebné použiť jej Schwarzchildov polomer.

Čierna diera s hmotnosťou Zeme má teoretickú hustotu asi 2 × 10²⁷ g / cm³ (pre porovnanie, hustota vody je iba 1 g / cm³). Takúto veľkosť je prakticky nemožné zasadiť do kontextu každodenného života, ale vesmírne výsledky sú predvídateľne jedinečné. Aby ste to vypočítali, vydeľte hmotu objemom po „korekcii“ polomeru pomocou relatívnych hmotností čiernej diery a slnka, ako je znázornené v nasledujúcom príklade.

​Vzorový problém:Čierna diera má hmotnosť asi 3,9 milióna (3,9 × 10⁶) slnka, pričom slnečná hmotnosť je 1,99 × 10³³ gramov a predpokladá sa, že ide o guľu s Schwarzchildovým polomerom 3 × 10⁵ cm. Aká je jeho hustota?

Najskôr vyhľadajteefektívny polomer gule tvoriacej horizont udalostívynásobením Schwarzchildovho polomeru pomerom hmotnosti čiernej diery k hmotnosti slnka, ktorý je uvedený ako 3,9 milióna:

Potom vypočítajte objem gule, zistený zo vzorca V = (4/3) πr³:

Nakoniec vydeľte hmotnosť gule týmto objemom, aby ste dosiahli hustotu. Pretože dostanete hmotnosť slnka a skutočnosť, že hmotnosť čiernej diery je 3,9 milióna krát väčšia, môžete túto hmotnosť vypočítať ako (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Hustota je teda:

Astronómovia vytvorili rôzne klasifikačné systémy pre čierne diery, jeden na základe samotnej hmotnosti a druhý na základe náboja a rotácie. Ako bolo uvedené vyššie, väčšina (ak nie všetky) čiernych dier rotuje okolo osi, ako samotná Zem.

Klasifikácia čiernych dier na základe hmotnosti vedie k nasledujúcemu systému:

• ​Prvotné čierne diery:Tieto majú podobnú hmotnosť ako Zem. Sú čisto hypotetické a mohli vzniknúť regionálnymi gravitačnými poruchami bezprostredne po Veľkom tresku.
• ​Hviezdna hmota čierne diery:Vyššie uvedené majú hmotnosť medzi 4 až 15 slnečnými hmotami a sú výsledkom „tradičného“ zrútenia hviezdy nad priemerom na konci jej životnosti.
• ​Stredná hmota čiernych dier:Nepotvrdené od roku 2019, tieto čierne diery - asi niekoľko tisíckrát hmotnejšie ako slnko - môžu existovať v niektorých hviezdnych zoskupeniach a tiež neskôr môžu kvitnúť do supermasívnych čiernych dier.
• ​Supermasívne čierne diery:Už sme tiež spomenuli, že sa môžu pochváliť miliónmi až miliardami slnečných hmôt a nachádzajú sa v centrách veľkých galaxií.

V alternatívnej schéme možno čierne diery kategorizovať podľa ich rotácie a namiesto toho sa musia nabíjať:

• ​Schwarzschildova čierna diera:Tiež známy ako astatická čierna diera, tento typ čiernej diery sa neotáča a nemá elektrický náboj. Vyznačuje sa preto iba svojou hmotnosťou.
• ​Kerrova čierna diera:Toto je rotujúca čierna diera, ale ako Schwarzschildova čierna diera nemá elektrický náboj.
• ​Nabitá čierna diera:Tieto sa dodávajú v dvoch odrodách. Spoplatnené,nerotujúcičierna diera je známa ako aČierna diera Reissner-Nordstrom, zatiaľ čorotačnýčierna diera sa nazýva aKerr-Newmanova čierna diera​.

Mali by ste pravdu, keby vás začalo zaujímať, ako vedci vyvodili toľko sebavedomých záverov o objektoch, ktoré sa podľa definície nedajú vizualizovať. Mnoho poznatkov o čiernych dierach sa dalo odvodiť zo správania a vzhľadu relatívne blízkych objektov. Keď sú čierna diera a hviezda dosť blízko pri sebe, vznikne zvláštny druh vysokoenergetického elektromagnetického žiarenia, ktoré môže spôsobiť výstrahu astronómom.

Veľké plynové trysky je niekedy možné vidieť vyčnievať z „koncov“ čiernej diery; niekedy sa tento plyn môže spojiť do nejasne kruhovej formy známej akoakrečný disk. Ďalej sa predpokladá, že čierne diery vyžarujú druh žiarenia, ktoré sa nazýva primeranežiarenie čiernych dier(aleboJastrabie žiarenie). Toto žiarenie môže uniknúť z čiernej diery v dôsledku vytvorenia párov „hmota-antihmota“ (napr.elektrónyapozitróny) tesne za horizontom udalostí a následná emisia iba pozitívnych členov týchto párov ako tepelné žiarenie.

Pred spustenímHubblov vesmírny ďalekohľadv roku 1990 si astronómovia dlho lámali hlavu nad veľmi vzdialenými objektmi, ktoré pomenovalikvazarov, kompresia „kvázi hviezdnych objektov“. Ako supermasívne čierne diery, ktorých existencia bola objavené neskôr, tieto rýchlo sa točiace vysokoenergetické objekty sa nachádzajú v centrách veľkých galaxie. Čierne diery sa dnes považujú za entity, ktoré riadia správanie kvazarov, ktoré sa nachádzajú iba v obrovských vzdialenostiach, pretože existovali v relatívnom počiatkoch vesmíru; ich svetlo práve teraz prichádza na Zem po asi 13 miliardách rokov tranzitu.

Niektorí astrofyzici tvrdia, že galaxie, ktoré sa pri pohľade zo Zeme zdajú byť rôznymi základnými typmi, môžu byť v skutočnosti rovnakého typu, ale s rozdielnymi stranami, ktoré sú k Zemi. Niekedy je kvasarová energia viditeľná a poskytuje akýsi „majákový“ efekt v zmysle toho, ako Zem prístroje zaznamenávajú aktivitu kvasaru, zatiaľ čo inokedy sa galaxie javia vďaka ich „tichejšiemu“ stavu orientácia.