Sestava črne luknje

Ko slišite besedno zvezo "črna luknja", skoraj zagotovo vzbudi občutek skrivnosti in čudenja, ki je morda obarvan z elementom nevarnosti. Medtem ko je izraz "črna luknja" v vsakdanjem jeziku postal sinonim za "kraj, kamor gre, nikoli ni videti spet, "večina ljudi pozna njegovo uporabo v svetu astronomije, če ne nujno natančnih lastnosti in opredelitve.

Že desetletja so najpogostejši refreni, ki povzemajo črne luknje, po vzoru "mesta, kjer je gravitacija tako močna, niti svetloba lahko uide. "Čeprav je to za začetek dovolj natančen povzetek, se je naravno vprašati, kako se lahko kaj takega začne s.

Drugih vprašanj je veliko. Kaj je znotraj črne luknje? Ali obstajajo različne vrste črnih lukenj? In kakšna je tipična velikost črne luknje ob predpostavki, da takšna stvar obstaja in jo je mogoče izmeriti? Uvedba teleskopa Hubble je revolucionirala način preučevanja črnih lukenj.

Preden se poglobite v temo črnih lukenj - in slabih besed - koristno je, da si ogledate osnovno terminologijo, ki se uporablja za določanje lastnosti in geometrije črnih lukenj.

Predvsem vsaka črna luknja ima svoje učinkovito središče, asingularnost, ki je sestavljena iz snovi, ki je tako stisnjena, da je skoraj točkovna masa. Ogromna posledična gostota ustvarja gravitacijsko polje, ki je tako močno, da se na določeno razdaljo ne morejo sprostiti niti fotoni, ki so "delci" svetlobe. Ta razdalja je znana kotPolmer Schwarzchilda; v nerotirajoči črni luknji (in o bolj dinamičnem tipu boste izvedeli v naslednjem odseku), nevidna krogla s tem polmerom s singularnostjo v središču tvoriobzorje dogodkov​.

Seveda nič od tega ne pojasni, od kod dejansko prihajajo črne luknje. Ali se po vesolju pojavljajo spontano in naključno? Če je odgovor pritrdilen, obstaja kakšna predvidljivost njihovega videza? Glede na njihovo pohvalno moč bi bilo koristno vedeti, ali namerava črna luknja postaviti trgovino v splošni bližini Zemljinega sončnega sistema.

Obstoj črnih lukenj je bil prvič predlagan v dvajsetih letih 20. stoletja, toda takratni znanstveniki niso imeli potrebnih instrumentov za potrditev tega, kar so predlagali. V začetku 19. stoletja je nemški astronom Karl Schwarzchild (da, tisti) uporabljal Einsteinovo teorijo splošne relativnosti, da bi ugotovili fizično najvidnejše vedenje črnih lukenj - njihovo sposobnost "ujetja" svetlobe.

V teoriji bi lahko na podlagi Schwarzchildovega dela vsaka masa služila kot osnova za črno luknjo. Edina zahteva je, da njen polmer po stiskanju ne presega Schwarzchildovega polmera.

Obstoj črnih lukenj je fizikom prinesel uganko, čeprav privlačno, da bi jo poskušali rešiti. Menijo, da se zaradi ukrivljenosti prostora in časa, ki je posledica izredne sile gravitacije v bližini črne luknje, fizični zakoni v resnici porušijo; ker je obzorje dogodkov nedostopno iz človeške analize, ta konflikt dejansko ni konflikt za astrofizike.

Če nekdo razmišlja o velikosti črne luknje kot krogle, ki jo tvori obzorje dogodkov, je gostota precej drugačna kot če bi bila črna luknja luknja se namesto tega obravnava le kot smešno drobna zrušena zvezda z maso, ki tvori singularnost (več o tem v trenutek).

Znanstveniki verjamejo, da so črne luknje lahko tako majhne kot nekateri atomi, vendar imajo toliko mase kot gora na Zemlji. Po drugi strani pa so nekatere lahko približno do 15-krat toliko bolj masivne kot sonce, medtem ko so še vedno majhne (vendar ne atomske velikosti). Tezvezdne črne luknjenajdemo po celotnih galaksijah, vključno z Rimsko cesto, v kateri prebivata Zemlja in Sončev sistem.

Še druge črne luknje so lahko veliko, veliko večje. Tesupermasivne črne luknjeje lahko več kot milijonkrat tako masiven kot sonce, v središču pa naj bi bila vsaka galaksija. Tista v središču Rimske ceste, sinhroniziranaStrelec A, je dovolj velik, da sprejme nekaj milijonov Zemelj, toda ta prostor v primerjavi z maso predmeta - ocenjeno na 4 milijone soncev - bledi.

Verjame, da se črne luknje oblikujejo in nepredvidljivo pojavljajo in se pojavljajo nepredvidljivo prej, tvorijo hkrati z večjimi predmeti, v katerih živijo." Verjame se, da je nekaj majhnih črnih lukenj nastalo istočasno, ko je nastal vesolje sam, v času velikega poka skoraj 14 milijard let nazaj.

Temu primerno nastanejo supermasivne črne luknje znotraj posameznih galaksij v času, ko se te galaksije združijo v obstoj iz medzvezdne snovi. Druge črne luknje nastanejo kot posledica nasilnega dogodka, imenovanega asupernova​.

Supernova je implozivna ali "travmatična" smrt zvezde, v nasprotju s zvezdo, ki gori kot velikanski nebesni žar. Takšni dogodki se zgodijo, ko zvezda izčrpa toliko goriva, da začne propadati pod lastno maso. Ta implozija povzroči povratno eksplozijo, ki odvrže večino tistega, kar ostane od zvezde, in na njenem mestu ostane singularnost.

Eden od zgoraj omenjenih problemov za fizike je, da se gostota dela črne luknje obravnava kot singularnost ni mogoče izračunati kot kaj drugega kot neskončno, saj je negotovo, kako majhna je masa dejansko (npr. kako majhna je zaseda). Za smiselno izračun gostote črne luknje je treba uporabiti njen Schwarzchildov polmer.

Črna luknja z maso Zemlje ima teoretično gostoto približno 2 × 10²⁷ g / cm³ (za referenco je gostota vode zgolj 1 g / cm³). Takšne velikosti je praktično nemogoče dati v kontekst vsakdanjega življenja, so pa kozmični rezultati predvidljivo enkratni. Če želite to izračunati, maso delite z volumnom, potem ko "popravite" polmer z uporabo relativnih mas črne luknje in sonca, kot je prikazano v naslednjem primeru.

​Vzorec težave:Masa črne luknje je približno 3,9 milijona (3,9 × 10⁶) sonca, pri čemer je sončna masa 1,99 × 10³³ gramov in se domneva, da je krogla s polmerom Schwarzchild 3 × 10⁵ cm Kakšna je njegova gostota?

Najprej poiščiteefektivni polmer krogle, ki tvori obzorje dogodkovz množenjem Schwarzchildovega polmera z razmerjem med maso črne luknje in maso sonca, ki je 3,9 milijona:

Nato izračunajte prostornino krogle, ki jo najdemo iz formule V = (4/3) πr³:

Na koncu maso krogle razdelite na to prostornino, da dobite gostoto. Ker vam je dana masa sonca in dejstvo, da je masa črne luknje 3,9 milijona krat večja, lahko to maso izračunate kot (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Gostota je torej:

Astronomi so izdelali različne sisteme klasifikacije črnih lukenj, enega na osnovi mase in drugega na osnovi naboja in vrtenja. Kot je bilo omenjeno zgoraj, se večina (če ne vse) črnih lukenj vrti okoli osi, tako kot Zemlja sama.

Razvrščanje črnih lukenj na podlagi mase daje naslednji sistem:

• ​Prvotne črne luknje:Ti imajo mase, podobne masi Zemlje. Ti so povsem hipotetični in so lahko nastali zaradi regionalnih gravitacijskih motenj takoj po velikem poku.
• ​Črne luknje zvezdne mase:Prej omenjene mase imajo mase med približno 4 in 15 sončnimi masami in so posledica "tradicionalnega" kolapsa večje od povprečne zvezde na koncu njene življenjske dobe.
• ​Črne luknje vmesne mase:Od leta 2019 nepotrjene te črne luknje - približno nekaj tisočkrat bolj masivne kot sonce - lahko obstajajo v nekaterih zvezdnih kopicah, kasneje pa lahko zacvetijo v supermasivne črne luknje.
• ​Supermasivne črne luknje:Že prej omenjene, se ponašajo z milijonom do milijardami sončnih mas in jih najdemo v središčih velikih galaksij.

V alternativni shemi lahko črne luknje razvrstimo glede na njihovo vrtenje in polnjenje:

• ​Schwarzschildova črna luknja:Znan tudi pod imenomstatična črna luknja, ta vrsta črne luknje se ne vrti in nima električnega naboja. Zanj je torej značilna zgolj njegova masa.
• ​Kerrjeva črna luknja:To je vrtljiva črna luknja, vendar kot Schwarzschildova črna luknja nima električnega naboja.
• ​Napolnjena črna luknja:Ti so v dveh sortah. Napolnjeno,nerotirajočačrna luknja je znana kotČrna luknja Reissner-Nordstrom, medtem ko jevrtenječrna luknja se imenuje aKerr-Newmanova črna luknja​.

Prav bi se začeli spraševati, kako so znanstveniki prišli do toliko samozavestnih zaključkov o predmetih, ki jih po definiciji ni mogoče vizualizirati. Veliko vedenja o črnih luknjah je bilo ugotovljeno iz vedenja in videza sorazmerno bližnjih predmetov. Ko sta črna luknja in zvezda dovolj blizu, nastane posebna vrsta visokoenergijskega elektromagnetnega sevanja, ki lahko odvrne opozorilne astronome.

Včasih je mogoče videti velike curke plina, ki štrlijo s "koncev" črne luknje; včasih se ta plin lahko združi v nejasno krožno obliko, znano kotakrecijski disk. Nadalje teoretizirajo, da črne luknje oddajajo vrsto sevanja, ki se imenuje ustreznosevanje črne luknje(aliHawkingovo sevanje). To sevanje lahko uide iz črne luknje zaradi tvorbe parov "snov-antimaterija" (npr.elektroniinpozitroni) tik pred obzorjem dogodkov in posledično emisijo le pozitivnih članov teh parov kot toplotno sevanje.

Pred zagonomVesoljski teleskop Hubbleleta 1990 so astronomi dolgo zmedeni nad zelo oddaljenimi predmeti, ki so jih poimenovalikvazarji, stiskanje "kvazizvezdnih predmetov." Kot supermasivne črne luknje, katerih obstoj je bil kasneje odkriti, ti hitro vrtinčni visokoenergijski predmeti se nahajajo v središčih velikih galaksije. Črne luknje se zdaj obravnavajo kot entitete, ki poganjajo vedenje kvazarjev, ki jih najdemo na ogromnih razdaljah, ker so obstajale v sorazmernem otroštvu kozmosa; njihova svetloba šele zdaj doseže Zemljo po približno 13 milijard letih tranzita.

Nekateri astrofiziki so predlagali, da so galaksije, ki se zdijo različne osnovne vrste, če jih gledamo z Zemlje, dejansko iste vrste, vendar z različnimi stranmi, ki so prikazane proti Zemlji. Včasih je energija kvazarja vidna in zagotavlja nekakšen "svetilniški" učinek glede na to, kako Zemlja instrumenti beležijo delovanje kvazarja, včasih pa so galaksije zaradi svojih bolj "tihe" usmerjenost.