Састав црне рупе

Када чујете фразу „црна рупа“, то готово сигурно изазива осећај тајне и чуђења, можда преливен елементом опасности. Иако је израз „црна рупа“ у свакодневном језику постао синоним за „место где се нешто оде, а које се никада неће видети опет, „већина људи је упозната са његовом употребом у свету астрономије, ако не и са прецизним карактеристикама и дефиниције.

Деценијама је међу најчешћим рефренима који сумирају црне рупе слијед „места где је гравитација тако јака, чак ни светлост може побећи. “Иако је ово довољно тачан сажетак за почетак, природно је запитати се како тако нешто може почети са.

Осталих питања има на претек. Шта је унутар црне рупе? Постоје ли различите врсте црних рупа? А која је типична величина црне рупе, под претпоставком да тако нешто постоји и да се може мерити? Лансирање телескопа Хуббле револуционирало је начин на који се могу проучавати црне рупе.

Пре него што уђете дубоко у тему црних рупа - и лоших играња игара - корисно је проучити основну терминологију која се користи за дефинисање својстава и геометрије црних рупа.

Најважније је да свака црна рупа има свој ефективни центар, асингуларност, који се састоји од материје толико стиснуте да је готово тачкаста маса. Огромна резултујућа густина ствара гравитационо поље толико снажно да се на одређеној удаљености чак ни фотони, који су „честице“ светлости, не могу ослободити. Ова удаљеност позната је каоРадијус Сцхварзцхилда; у неротирајућој црној рупи (а о динамичнијем типу ћете сазнати у наредном одељку), невидљива сфера са овим радијусом са сингуларношћу у средишту чинихоризонт догађаја​.

Наравно, ништа од овога не објашњава одакле заправо потичу црне рупе. Да ли се појављују спонтано и на случајним местима широм космоса? Ако је тако, постоји ли предвидљивост њиховог изгледа? Узимајући у обзир њихову хваљену моћ, било би корисно знати да ли црна рупа планира да отвори трговину у општој близини Земљиног Сунчевог система.

Постојање црних рупа први пут је предложено 1700-их, али тадашњим научницима недостајали су инструменти потребни да потврде било шта од онога што су предложили. Почетком 1900-их, немачки астроном Карл Сцхварзцхилд (да, тај) користио је Ајнштајнову теорију општег релативности како би се утврдило физички најистакнутије понашање црних рупа - њихова способност да „заробе“ светлост.

У теорији, на основу Сцхварзцхилдовог рада, свака маса би могла послужити као основа за црну рупу. Једини захтев је да његов радијус након компресије не прелази Сцхварзцхилдов радијус.

Постојање црних рупа створило је физичаре загонетком, иако примамљивом у покушају да је реше. Верује се да се захваљујући закривљености простора и времена која је резултат изванредне силе гравитације у близини црне рупе, закони физике на снази руше; јер је хоризонт догађаја неприступачан из људских анализа, овај сукоб заправо није сукоб за астрофизичаре.

Ако неко мисли о величини црне рупе као о сфери коју формира хоризонт догађаја, густина је далеко другачија од оне када се ради о црној рупи рупа се уместо тога третира само као смешно сићушна срушена звезда са масом која формира сингуларност (више о томе у тренутак).

Научници верују да црне рупе могу бити мале као и одређени атоми, а да имају толико масе као планина на Земљи. С друге стране, неки могу бити и до 15-ак пута масивнији од сунца, а да су и даље мајушни (али не атомске величине). Овезвездане црне рупеналазе се широм галаксија, укључујући Млечни пут, у којем бораве Земља и Сунчев систем.

Ипак друге црне рупе могу бити много, много веће. Овесупермасивне црне рупеможе бити више од милион пута масивнија од сунца, а верује се да свака галаксија има једну у свом центру. Она у центру Млечног пута, синхронизованаСтрелац А., довољно је велик да може да прими неколико милиона Земаља, али овај волумен бледи у поређењу са масом објекта - процењује се да је она од 4 милиона сунца.

Уместо да се формирају и појаве непредвидиво, претња на коју се претходно наговештавало, верује се да црне рупе настају истовремено са већим објектима у којима они живе." Верује се да су неке малене црне рупе настале у исто време када је настао и сам космос, у време Великог праска, скоро 14 милијарди година пре.

Сходно томе, супермасивне црне рупе унутар појединих галаксија настају у време када се те галаксије удружују у постојање из међузвездане материје. Остале црне рупе настају као последица насилног догађаја названог асупернова​.

Супернова је имплозивна, или "трауматична" смрт звезде, за разлику од звезде која изгара попут гигантске небеске жеравице. Такви догађаји се дешавају када звезда исцрпи толико горива да почне да се руши под сопственом масом. Ова имплозија резултира повратном експлозијом која одбацује већи део онога што је остало од звезде, остављајући сингуларност на свом месту.

Један од горе поменутих проблема физичара је тај што се густина дела црне рупе сматра сингуларношћу не може се израчунати као било шта друго осим бесконачно, јер је несигурно колико је маса заправо мала (нпр. колико је мала запремина заузима). Да би се смислено израчунала густина црне рупе, мора се користити њен Сцхварзцхилдов радијус.

Црна рупа масе Земље има теоретску густину од око 2 × 10²⁷ г / цм³ (за референцу, густина воде је само 1 г / цм³). Такву величину је практично немогуће ставити у контекст свакодневног живота, али су космички резултати предвидљиво јединствени. Да бисте то израчунали, масу делите запремином након што сте „исправили“ радијус користећи релативне масе црне рупе и сунца, као што је приказано у следећем примеру.

​Пример проблема:Маса црне рупе је око 3,9 милиона (3,9 × 10⁶) сунца, са масом сунца 1,99 × 10³³ грама, а претпоставља се да је сфера са Сцхварзцхилдовим радијусом 3 × 10⁵ центиметар. Колика је његова густина?

Прво пронађитеефективни радијус сфере која формира хоризонт догађајамножењем радијуса Сцхварзцхилд са односом масе црне рупе и масе сунца, дато као 3,9 милиона:

Затим израчунајте запремину кугле, пронађену из формуле В = (4/3) πр³:

На крају поделите масу сфере са овом запремином да бисте добили густину. Будући да вам је дана маса сунца и чињеница да је маса црне рупе 3,9 милиона пута већа, ову масу можете израчунати као (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ г) = 7,76 × 10³⁹ г. Густина је према томе:

Астрономи су произвели различите системе класификације црних рупа, један заснован само на маси, а други на основу наелектрисања и ротације. Као што је горе споменуто, већина (ако не и све) црне рупе ротирају се око осе, попут саме Земље.

Класификација црних рупа на основу масе даје следећи систем:

• ​Исконске црне рупе:Они имају масе сличне оној на Земљи. Они су чисто хипотетички и можда су настали регионалним гравитационим поремећајима непосредно након Великог праска.
• ​Црне рупе звездане масе:Поменуте раније, оне имају масе између око 4 и 15 Сунчевих маса и резултат су "традиционалног" колапса звезде веће од просечне на крају њеног животног века.
• ​Црне рупе средње масе:Непотврђене од 2019. године, ове црне рупе - око неколико хиљада пута масивније од сунца - могу постојати у неким звезданим јатима, а такође касније могу процветати у супермасивне црне рупе.
• ​Супермасивне црне рупе:Такође претходно поменути, ови се могу похвалити између милион до милијарду Сунчевих маса и налазе се у центрима великих галаксија.

У алтернативној шеми, црне рупе могу се категорисати према њиховој ротацији и наелектрисању:

• ​Сцхварзсцхилд црна рупа:Такође познат каостатична црна рупа, ова врста црне рупе се не окреће и нема електрични набој. Стога се одликује само својом масом.
• ​Керрова црна рупа:Ово је ротирајућа црна рупа, али попут Сцхварзсцхилдове црне рупе, она нема електрични набој.
• ​Напуњена црна рупа:Постоје у две варијанте. Напуњен,неротирајућицрна рупа је позната као аРеисснер-Нордстром црна рупа, док се наплаћује,ротирајућицрна рупа назива се аКерр-Невманова црна рупа​.

С правом бисте се запитали како су научници извукли толико самопоузданих закључака о објектима који се по дефиницији не могу визуализовати. Много знања о црним рупама закључено је понашањем и изгледом релативно објеката у близини. Када су црна рупа и звезда довољно близу, настаје посебна врста високоенергетског електромагнетног зрачења која може да да упозорење астрономима.

Понекад се могу видети велики млазови гаса који стрше са „крајева“ црне рупе; понекад се овај гас може спојити у нејасно кружни облик познат каоакрециони диск. Даље се теоретише да црне рупе емитују неку врсту зрачења која се назива, на одговарајући начин,зрачење црне рупе(илиХокингово зрачење). Ово зрачење може избећи црну рупу услед стварања парова „материја-антиматерија“ (нпр.електрониипозитрони) непосредно изван хоризонта догађаја и накнадна емисија само позитивних чланова ових парова као термичко зрачење.

Пре лансирањаСвемирски телескоп Хуббле1990. године астрономи су дуго збуњивали веома удаљене објекте које су именоваликвазари, компресија „квазизвезданих објеката“. Попут супермасивних црних рупа, чије је постојање било откривени касније, ови брзо-усковитлани високоенергетски објекти налазе се у центрима великих галаксије. Црне рупе се сада сматрају ентитетима који покрећу понашање квазара, до којих се долази само на огромним удаљеностима јер су постојали у релативном дјетињству космоса; њихова светлост тек сада стиже на Земљу након неких 13 милијарди година у транзиту.

Неки астрофизичари су предложили да галаксије које се чине различитим основним типовима када се гледају са Земље могу у ствари бити истог типа, али са различитим странама које су приказане према Земљи. Понекад је енергија квазара видљива и пружа својеврсни „светионички“ ефекат у смислу како Земља инструменти бележе активност квазара, док се у другим временима галаксије чине „тишим“ због својих оријентација.