Sammansättning av ett svart hål

När du hör uttrycket "svart hål" väcker det nästan säkert en känsla av mysterium och undring, kanske färgad med ett element av fara. Medan termen "svart hål" har blivit synonymt i vardagsspråket med "en plats något går, aldrig att se återigen, "de flesta är bekanta med dess användning i astronomivärlden, om inte nödvändigtvis med exakta funktioner och definitioner.

I årtionden har en av de vanligaste refren som sammanfattar svarta hål varit i linje med "en plats där tyngdkraften är så stark, inte ens ljuset kan fly. ”Även om detta är en noggrann sammanfattning till att börja med, är det naturligt att undra hur en sådan sak kan hända för att börja med.

Andra frågor finns i överflöd. Vad finns i ett svart hål? Finns det olika typer av svarta hål? Och vad är en typisk svart hålstorlek, förutsatt att en sådan sak finns och kan mätas? Lanseringen av Hubble-teleskopet revolutionerade hur svarta hål kunde studeras.

Innan du går djupt in i ämnet svarta hål - och dåliga ordlekar - är det bra att gå igenom den grundläggande terminologi som används för att definiera egenskaper och geometri hos svarta hål.

Framför allt har varje svart hål i sitt effektiva centrum, asäregenhet, som består av material så komprimerat att det nästan är en punktmassa. Den enorma resulterande densiteten producerar ett gravitationsfält så kraftfullt att ut till ett visst avstånd, inte ens fotoner, som är "partiklarna" i ljuset, kan bryta sig loss. Detta avstånd kallasSchwarzchild-radie; i ett icke-roterande svart hål (och du lär dig mer om den mer dynamiska typen i ett efterföljande avsnitt), bildar den osynliga sfären med denna radie med singulariteten i centrumhändelsehorisont​.

Naturligtvis förklarar inget av detta var svarta hål faktiskt kommer ifrån. Poppar de upp spontant och på slumpmässiga platser i hela kosmos? Om så är fallet, finns det någon förutsägbarhet för deras utseende? Med tanke på deras högtalade kraft skulle det vara användbart att veta om ett svart hål kanske planerar att starta butik i den allmänna närheten av jordens solsystem.

Förekomsten av svarta hål föreslogs först på 1700-talet, men dagens forskare saknade de instrument som behövdes för att bekräfta något av det de föreslog. I början av 1900-talet använde den tyska astronomen Karl Schwarzchild (ja den) Einsteins allmänna teori relativitet för att etablera det mest fysiskt framträdande beteendet hos svarta hål - deras förmåga att "fånga" ljus.

I teorin, baserat på Schwarzchilds arbete, kan vilken massa som helst tjäna som grund för ett svart hål. Det enda kravet är att dess radie efter komprimering inte överstiger Schwarzchild-radien.

Förekomsten av svarta hål har gett fysiker en gåta, om än en lockande att försöka lösa. Man tror att tack vare rymd-tidens krökning som orsakas av den extraordinära tyngdkraften i närheten av det svarta hålet, bryter fysikens lagar i praktiken ner; Eftersom händelsehorisonten är otillgänglig från mänsklig analys är denna konflikt i själva verket inte riktigt en konflikt för astrofysiker.

Om man tänker på svart hålstorlek som sfären som bildas av händelsehorisonten är densiteten mycket annorlunda än om den svarta hålet behandlas istället endast som den löjligt lilla kollapsade stjärnan med massa som bildar singulariteten (mer om detta i en ögonblick).

Forskare tror att svarta hål kan vara lika små som vissa atomer, men ändå ha lika mycket massa som ett berg på jorden. Å andra sidan kan vissa vara ungefär upp till 15 gånger så massiva som solen medan de fortfarande är små (men inte atomära). Dessastjärniga svarta hålfinns i galaxer, inklusive Vintergatan, där jorden och solsystemet finns.

Fortfarande andra svarta hål kan vara mycket, mycket större. Dessasupermassiva svarta hålkan vara mer än en miljon gånger så massiv som solen, och varje galax tros ha en i centrum. Den i mitten av Vintergatan, dubbadSkytten A, är tillräckligt stor för att rymma några miljoner jordar, men den här volymen bleknar i jämförelse med objektets massa - uppskattad till den för 4 miljoner solar.

I stället för att bildas och framträda på ett oförutsägbart sätt, antas ett hot som lätt antyddes tidigare, svarta hål antas bildas samtidigt som de större föremålen de lever." Några små svarta hål antas ha bildats samtidigt som kosmos själv uppstod, vid Big Bang nästan 14 miljarder år sedan.

På motsvarande sätt bildas supermassiva svarta hål i enskilda galaxer vid den tidpunkt då dessa galaxer sammanfaller till existens från interstellär materia. Andra svarta hål bildas som en följd av en våldsam händelse som kallas asupernova​.

En supernova är en stjärnas implosiva eller "traumatiska" död, i motsats till att en stjärna brinner ut som en gigantisk himmelsk glödlampa. Sådana händelser inträffar när en stjärna har tömt så mycket av sitt bränsle att den börjar kollapsa under sin egen massa. Denna implosion resulterar i en reboundexplosion som kastar bort mycket av det som finns kvar av stjärnan och lämnar en singularitet på sin plats.

Ett av de ovannämnda problemen för fysiker är att densiteten hos den del av det svarta hålet som betraktas som singulariteten kan inte beräknas som något annat än oändligt, eftersom det är osäkert hur liten massan faktiskt är (t.ex. hur liten volym den är upptar). För att meningsfullt beräkna densiteten hos ett svart hål måste dess Schwarzchild-radie användas.

Ett jordmassasvart hål har en teoretisk densitet på cirka 2 × 10²⁷ g / cm³ (för referens är vattentätheten bara 1 g / cm³). En sådan storlek är praktiskt taget omöjlig att sätta in i vardagslivet, men de kosmiska resultaten är förutsägbart unika. För att beräkna detta delar du massan med volymen efter att ha "korrigerat" radien med hjälp av de relativa massorna för det svarta hålet och solen, som visas i följande exempel.

​Exempel på problem:Ett svart hål har en massa av cirka 3,9 miljoner (3,9 × 10⁶) solar, med solens massa 1,99 × 10³³ gram, och antas vara en sfär med en Schwarzchild-radie på 3 × 10⁵ centimeter. Vad är densiteten?

Först, hittaeffektiv radie av sfären som bildar händelsehorisontengenom att multiplicera Schwarzchild-radien med förhållandet mellan det svarta hålets massa och solens, givet 3,9 miljoner:

Beräkna sedan sfärens volym, hittad från formeln V = (4/3) πr³:

Slutligen delar du sfärens massa med denna volym för att erhålla densiteten. Eftersom du får solens massa och det faktum att det svarta hålets massa är 3,9 miljoner gånger större, kan du beräkna denna massa som (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Densiteten är därför:

Astronomer har producerat olika klassificeringssystem för svarta hål, en baserad på enbart massa och den andra baserad på laddning och rotation. Som nämnts i förbigående ovan, roterar de flesta (om inte alla) svarta hål runt en axel, som jorden själv.

Klassificering av svarta hål baserat på massa ger följande system:

• ​Ursprungliga svarta hål:Dessa har massor som liknar jordens. Dessa är rent hypotetiska och kan ha bildats genom regionala gravitationsstörningar direkt efter Big Bang.
• ​Stjärna svarta hål:Tidigare nämnts har dessa massor mellan cirka 4 och 15 solmassor och härrör från den "traditionella" kollapsen av en stjärna som är större än genomsnittet vid dess livslängd.
• ​Mellanhöga svarta hål:Obekräftat från och med 2019 kan dessa svarta hål - ungefär några tusen gånger så massiva som solen - existera i vissa stjärnkluster och kan senare också blomstra i supermassiva svarta hål.
• ​Supermassiva svarta hål:Dessa har också nämnts tidigare och har en miljon till en miljard solmassor och finns i centrum av stora galaxer.

I ett alternativt schema kan svarta hål kategoriseras efter deras rotation och laddning istället:

• ​Schwarzschild svart hål:Även känd som enstatiskt svart hål, denna typ av svart hål roterar inte och har ingen elektrisk laddning. Det kännetecknas därför av enbart sin massa.
• ​Kerr svart hål:Detta är ett roterande svart hål, men som ett Schwarzschild-svart hål har det ingen elektrisk laddning.
• ​Laddat svart hål:Dessa finns i två varianter. En laddad,icke-roterandesvart hål är känt som enReissner-Nordström svart hål, medan en laddad,roterandesvart hål kallas aKerr-Newman svart hål​.

Du skulle ha rätt att ha börjat undra hur forskare har dragit så många självsäkra slutsatser om objekt som per definition inte kan visualiseras. Mycket kunskap om svarta hål har härledts av beteendet och utseendet hos relativt närliggande föremål. När ett svart hål och en stjärna är tillräckligt nära varandra resulterar en speciell typ av högenergi-elektromagnetisk strålning som kan tippa varna astronomer.

Ibland kan man se stora gasstrålar skjuta ut från "ändarna" på ett svart hål; ibland kan denna gas smälta samman i en vagt cirkulär form som kallas enackretionsskiva. Det teoretiseras vidare att svarta hål avger en slags strålning som på lämpligt sätt kallasstrålning i svart hål(ellerHawking-strålning). Denna strålning kan komma undan det svarta hålet på grund av bildandet av "materia-antimaterie" -par (t.ex.elektronerochpositroner) strax utanför händelsehorisonten och den efterföljande utsändningen av endast de positiva delarna av dessa par som värmestrålning.

Innan lanseringen avHubble-rymdteleskopet1990 hade astronomer länge förbryllat sig över mycket avlägsna föremål de namngavkvasarer, en komprimering av "kvasi-stjärniga objekt." Som supermassiva svarta hål vars existens var upptäcktes senare, dessa snabbt virvlande högenergiobjekt finns i centrum för stora galaxer. Svarta hål betraktas nu som de enheter som driver beteendet hos kvasarer, som bara finns enorma avstånd eftersom de fanns i kosmos relativa barndom; deras ljus når just nu jorden efter cirka 13 miljarder år i transit.

Vissa astrofysiker har föreslagit att galaxer som verkar vara olika bastyper sett från jorden faktiskt kan vara av samma typ, men med olika sidor av dem presenterade mot jorden. Ibland är kvasarenergin synlig och ger en slags "fyr" -effekt när det gäller hur jorden instrument registrerar kvasarns aktivitet, medan andra gånger galaxer verkar mer "tysta" på grund av deras orientering.