หลุมดำเป็นสิ่งที่มองไม่เห็นในอวกาศด้วยแรงโน้มถ่วงที่แรงมากจนแสงไม่สามารถหลบหนีได้ หลุมดำเคยเป็นดาวฤกษ์ "ธรรมดา" ที่ดับหรือถูกบีบอัด แรงดึงนั้นแข็งแกร่งเนื่องจากพื้นที่เล็ก ๆ ที่มวลทั้งหมดของดาวฤกษ์ได้มาครอบครอง พวกมันสามารถมีขนาดแตกต่างกันไปตั้งแต่อะตอมหนึ่งไปจนถึงขนาดมากกว่า 4 ล้านดวงอาทิตย์ของโลก
โครงการวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับหลุมดำเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมสำหรับนักเรียนในการทำความคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าดึงดูดใจและเป็นที่เลื่องลือมาก (หากไม่เข้าใจ) ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นวิธีที่ดีสำหรับเด็ก ๆ ในการเรียนรู้วิธีอธิบายสิ่งต่างๆ ให้เพื่อนฟัง ท้ายที่สุดการสอนกำลังทำอยู่
แรงโน้มถ่วง: การเตรียมการ
แรงโน้มถ่วงของหลุมดำขึ้นอยู่กับมวลและระยะห่างจากวัตถุ หลุมดำมีสนามโน้มถ่วงสูง อย่างไรก็ตาม วัตถุต้องอยู่ภายในหลายร้อยไมล์จึงจะได้รับผลกระทบ หินอ่อนแม่เหล็กเป็นตัวแทนของสสารในอวกาศซึ่งจะโคจรรอบหลุมดำหากเข้าใกล้เกินไป
- ซื้อแผ่นโฟมบอร์ดหรือป้ายสีดำ 2 แผ่น (ขนาด 11 นิ้วคูณ 17 นิ้วเป็นขนาดกำลังดี) แม่เหล็กทรงกระบอกแข็งแรง 1 ชิ้น หินอ่อนแม่เหล็ก และถาดหรือผ้าขนหนู
- ตัดสี่ถึงหกรูในกระดานที่มีขนาดเท่ากับแม่เหล็กทรงกระบอก
- วางแม่เหล็กในรูใดช่องหนึ่งแล้วติดเทปกาวบนรูเพื่อยึดให้แน่น
- ปิดแผ่นโฟมด้วยแผ่นกระดานที่สองเพื่อให้พื้นผิวดูสม่ำเสมอ
- วางถาดหรือผ้าเช็ดตัวไว้ใต้กระดานเพื่อใส่หินอ่อน
แรงโน้มถ่วง: การทดลอง
ม้วนหินอ่อนบนกระดานโฟม เมื่อเข้าใกล้แม่เหล็กที่ซ่อนอยู่หรือหลุมดำ เส้นทางของมันจะเปลี่ยนไป แม่เหล็กเป็นตัวแทนของแรงดึงของแรงโน้มถ่วง แต่โปรดทราบว่าแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นแรงที่อ่อนกว่าแรงแม่เหล็กมาก และจะมองเห็นได้เฉพาะกับวัตถุที่มีขนาดเท่าดาวเคราะห์หรือใหญ่กว่าเท่านั้น คุณจะสังเกตเห็นผลลัพธ์ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่าหินอ่อนมาใกล้แม่เหล็กที่ซ่อนอยู่แค่ไหน
การทดลองหลุมดำ: การเตรียมการ
ดวงดาวต่อสู้กับผลกระทบของการหลอมรวม ความดัน และแรงโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่อง มวลจำนวนมากทำให้ดาวฤกษ์ยุบวัตถุให้เป็นจุดได้ แรงโน้มถ่วงจะครอบงำดาวฤกษ์ในที่สุด และสถานะสิ้นสุดของการยุบตัวของดาวฤกษ์จะถูกกำหนดโดยมวลดั้งเดิมของดาวฤกษ์
โครงการฟิสิกส์เกี่ยวกับหลุมดำนี้สำรวจสถานะสิ้นสุดของดาวฤกษ์ รวบรวมลูกโป่งฟอยล์อลูมิเนียมขนาด 12 นิ้วถึง 14 นิ้วจำนวน 3 แผ่นต่อลูกโป่ง ของมีคม ที่อุดหูหรือที่ครอบหู
การทดลองหลุมดำ: หลักการ
- เป่าลูกโป่งแล้วมัดปลาย ปิดลูกโป่งด้วยฟอยล์อลูมิเนียมอย่างน้อยสองชั้น ลูกโป่งเหล่านี้เป็นตัวแทนของดวงดาว
- ดันพื้นผิวของลูกโป่งที่ปกคลุมด้วยมือของคุณ ดาวฤกษ์จะไม่ยุบตัวเนื่องจากแรงภายนอกที่เกิดจากการรวมตัวภายในดาวฤกษ์ทำให้แรงโน้มถ่วงภายในสมดุล
- เมื่อดาวฤกษ์จริงหมดเชื้อเพลิงหลัก มันอาจจะยุบ สวมที่ครอบหูและเปิดลูกโป่งเพื่อขจัดแรงดันอากาศภายใน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าฟอยล์ยังคงรูปร่าง ดาวฤกษ์ในแกนกลางของดาวหมดเชื้อเพลิง และการหลอมรวมไม่ก่อให้เกิดความร้อนและแรงดันเพียงพอต่อการป้องกันการยุบตัวอีกต่อไป
- ยุบดาวบอลลูนด้วยมือของคุณ "แรงดึงดูด" ที่แสดงโดยมือของคุณยุบดาวฤกษ์และสร้างหลุมดำ
การตรวจจับหลุมดำ
นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าหลุมหลังนั้นมีอยู่โดยที่มองไม่เห็น? แน่นอนว่าพวกมันมีขนาดใหญ่และมีสนามโน้มถ่วงที่แข็งแกร่ง แต่พวกมันอยู่ไกลออกไป
นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับผลกระทบของแรงโน้มถ่วงอย่างแรงของหลุมดำที่มีต่อดาวฤกษ์และก๊าซที่อยู่ใกล้เคียงได้ หากดาวฤกษ์โคจรรอบตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบคุณสมบัติทางจลนศาสตร์ของดาวดวงนั้นเพื่อดูว่ามีหลุมดำอยู่ที่ศูนย์กลางของวงโคจรหรือไม่
เมื่อหลุมดำและดาวฤกษ์โคจรใกล้กัน แสงพลังงานสูงจะถูกสร้างขึ้น เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์สามารถเห็นแสงพลังงานสูงนี้ได้