องค์ประกอบของหลุมดำ

เมื่อคุณได้ยินวลี "หลุมดำ" เกือบจะแน่นอนว่าทำให้เกิดความรู้สึกลึกลับและน่าสงสัย ซึ่งอาจแต่งแต้มด้วยองค์ประกอบของอันตราย ในขณะที่คำว่า "หลุมดำ" กลายเป็นคำพ้องความหมายในภาษาในชีวิตประจำวัน กับ "สถานที่ที่มีบางสิ่งไป ไม่เคยเห็น" อีกครั้ง" คนส่วนใหญ่คุ้นเคยกับการใช้งานในโลกดาราศาสตร์ หากไม่จำเป็นต้องมีคุณสมบัติที่แม่นยำและ คำจำกัดความ

เป็นเวลาหลายสิบปี ในบรรดาบทละเว้นทั่วไปที่สรุปหลุมดำได้ดำเนินไปตามแนวของ "สถานที่ซึ่งแรงโน้มถ่วงนั้นแรงมาก ไม่แม้แต่ แสงสามารถหลบหนีได้" แม้ว่านี่จะเป็นบทสรุปที่แม่นยำพอที่จะเริ่มต้น แต่ก็เป็นเรื่องปกติที่จะสงสัยว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร ด้วย.

คำถามอื่น ๆ มากมาย มีอะไรอยู่ในหลุมดำ? มีหลุมดำประเภทต่าง ๆ หรือไม่? และขนาดของหลุมดำทั่วไปคือเท่าใด สมมติว่ามีสิ่งนั้นอยู่และสามารถวัดได้ การเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลได้ปฏิวัติวิธีการศึกษาหลุมดำ

ก่อนที่จะเจาะลึกลงไปในหัวข้อของหลุมดำ – และการเล่นสำนวนที่ไม่ดี – คุณควรศึกษาคำศัพท์พื้นฐานที่ใช้ในการกำหนดคุณสมบัติและเรขาคณิตของหลุมดำก่อน

ที่โดดเด่นที่สุดคือ หลุมดำทุกแห่งมีจุดศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพ a

แน่นอนว่าไม่มีสิ่งใดอธิบายว่าหลุมดำมาจากไหน พวกเขาปรากฏขึ้นตามธรรมชาติและในสถานที่สุ่มทั่วจักรวาลหรือไม่? ถ้าเป็นเช่นนั้น มีการคาดเดาลักษณะที่ปรากฏของพวกเขาหรือไม่? เมื่อพิจารณาถึงพลังที่ถูกโอ้อวด จะเป็นประโยชน์ที่จะทราบว่าหลุมดำอาจกำลังวางแผนที่จะตั้งร้านในบริเวณใกล้เคียงทั่วไปของระบบสุริยะของโลกหรือไม่

การมีอยู่ของหลุมดำถูกเสนอครั้งแรกในปี 1700 แต่นักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นขาดเครื่องมือที่จำเป็นในการยืนยันสิ่งที่พวกเขาเสนอ ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน Karl Schwarzchild (ใช่แล้ว) ใช้ทฤษฎีทั่วไปของ Einstein ทฤษฎีสัมพัทธภาพเพื่อสร้างพฤติกรรมที่โดดเด่นที่สุดทางกายภาพของหลุมดำ นั่นคือความสามารถในการ "ดักจับ" แสง

ตามทฤษฎีแล้ว จากผลงานของชวาร์ซชิลด์ มวลใดๆ สามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับหลุมดำได้ ข้อกำหนดเพียงอย่างเดียวคือรัศมีหลังจากบีบอัดไม่เกินรัศมี Schwarzchild

การมีอยู่ของหลุมดำทำให้นักฟิสิกส์มีปริศนา แม้ว่าจะเป็นสิ่งที่น่าดึงดูดใจที่จะพยายามแก้ไข เป็นที่เชื่อกันว่าต้องขอบคุณความโค้งของกาลอวกาศที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงที่ไม่ธรรมดาในบริเวณใกล้เคียงหลุมดำ กฎของฟิสิกส์จึงพังทลายลง เนื่องจากขอบฟ้าเหตุการณ์ไม่สามารถเข้าถึงได้จากการวิเคราะห์ของมนุษย์ ความขัดแย้งนี้จึงไม่ใช่ความขัดแย้งสำหรับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์

หากใครคิดว่าขนาดของหลุมดำเป็นทรงกลมที่เกิดจากขอบฟ้าเหตุการณ์ ความหนาแน่นจะแตกต่างจากสีดำมาก หลุมจะถูกปฏิบัติแทนเฉพาะดาวฤกษ์ที่ยุบตัวลงอย่างน่าหัวเราะซึ่งมีมวลก่อตัวเป็นภาวะเอกฐาน (เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ใน ชั่วขณะ)

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำอาจมีขนาดเล็กพอๆ กับอะตอมบางอะตอม แต่ก็มีมวลมากพอๆ กับภูเขาบนโลก ในทางกลับกัน บางชนิดอาจมีมวลมากถึง 15 เท่าหรือมากกว่าดวงอาทิตย์ในขณะที่ยังเล็กอยู่ (แต่ไม่ใช่ขนาดอะตอม) เหล่านี้หลุมดำที่เป็นตัวเอกพบได้ทั่วดาราจักร รวมทั้งทางช้างเผือกที่โลกและระบบสุริยะอาศัยอยู่

หลุมดำอื่นๆ อาจมีขนาดใหญ่กว่ามาก เหล่านี้หลุมดำมวลมหาศาลอาจมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึงล้านเท่า และเชื่อกันว่ากาแล็กซีทุกดวงจะมีใจกลางกาแล็กซี ที่ใจกลางทางช้างเผือก ขนานนามว่าราศีธนูมีขนาดใหญ่พอที่จะบรรจุโลกได้ไม่กี่ล้านดวง แต่ปริมาตรนี้อ่อนลงเมื่อเปรียบเทียบกับมวลของวัตถุ ซึ่งประมาณว่าจะมีดวงอาทิตย์ 4 ล้านดวง

แทนที่จะก่อตัวและปรากฏขึ้นอย่างคาดเดาไม่ได้ ภัยคุกคามที่บอกเป็นนัยเล็กน้อยก่อนหน้านี้ เชื่อกันว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นพร้อมๆ กับวัตถุที่ยิ่งใหญ่กว่าที่ พวกเขาอยู่." เชื่อกันว่าหลุมดำเล็กๆ บางแห่งได้ก่อตัวขึ้นพร้อมๆ กับที่ตัวจักรวาลเองก็เกิดขึ้น ณ เวลาที่บิ๊กแบงเกือบ 14 พันล้านปี ที่ผ่านมา

ตามลำดับ หลุมดำมวลมหาศาลภายในดาราจักรแต่ละแห่งก่อตัวขึ้นในเวลาที่ดาราจักรเหล่านั้นรวมตัวกันเป็นสิ่งมีชีวิตจากสสารระหว่างดาว หลุมดำอื่นๆ ก่อตัวขึ้นจากเหตุการณ์รุนแรงที่เรียกว่า aซุปเปอร์โนวา​.

ซูเปอร์โนวาคือการที่ดาวฤกษ์เสียชีวิตโดยฉับพลันหรือ "บาดแผล" เมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ที่ลุกไหม้ราวกับถ่านคุลมขนาดมหึมา เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ใช้เชื้อเพลิงจนหมดจนเริ่มยุบตัวภายใต้มวลของมันเอง การระเบิดนี้ส่งผลให้เกิดการระเบิดการสะท้อนกลับที่ขว้างสิ่งที่เหลืออยู่ของดาวออกไป ทิ้งความเป็นเอกเทศไว้แทนที่

ปัญหาประการหนึ่งสำหรับนักฟิสิกส์คือความหนาแน่นของส่วนของหลุมดำที่ถือว่าเป็นภาวะเอกฐาน ไม่สามารถคำนวณเป็นอย่างอื่นได้นอกจากอนันต์ เนื่องจากไม่แน่ชัดว่ามวลจริงมีขนาดเล็กเพียงใด (เช่น ปริมาตรน้อยเพียงใด ตรงบริเวณ) ในการคำนวณความหนาแน่นของหลุมดำอย่างมีความหมาย ต้องใช้รัศมีชวาร์ซชิลด์

หลุมดำมวลโลกมีความหนาแน่นทางทฤษฎีประมาณ 2 × 10²⁷ กรัม/ซม.³ (สำหรับอ้างอิง ความหนาแน่นของน้ำเพียง 1 g/cm³). ขนาดดังกล่าวแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะใส่ลงในบริบทของชีวิตประจำวัน แต่ผลลัพธ์ของจักรวาลนั้นมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวที่คาดเดาได้ ในการคำนวณ คุณต้องหารมวลด้วยปริมาตรหลังจาก "แก้ไข" รัศมีโดยใช้มวลสัมพัทธ์ของหลุมดำและดวงอาทิตย์ ดังที่แสดงในตัวอย่างต่อไปนี้

​ปัญหาตัวอย่าง:หลุมดำมีมวลประมาณ 3.9 ล้าน (3.9 × 10 .)⁶) ดวงอาทิตย์ โดยมีมวลดวงอาทิตย์เท่ากับ 1.99 × 10³³ กรัม และถือว่าเป็นทรงกลมที่มีรัศมีชวาร์ซไชลด์ 3 × 10⁵ ซม. ความหนาแน่นของมันคืออะไร?

ก่อนอื่นให้หารัศมีที่มีประสิทธิภาพของทรงกลมทำให้เกิดขอบฟ้าเหตุการณ์โดยการคูณรัศมีชวาร์ซชิลด์ด้วยอัตราส่วนมวลของหลุมดำกับดวงอาทิตย์ ให้เป็น 3.9 ล้าน:

แล้วคำนวณปริมาตรของทรงกลมหาได้จากสูตร V = (4/3)πr³:

สุดท้าย หารมวลของทรงกลมด้วยปริมาตรนี้เพื่อให้ได้ความหนาแน่น เนื่องจากคุณได้รับมวลของดวงอาทิตย์และความจริงที่ว่ามวลของหลุมดำนั้นมากกว่า 3.9 ล้านเท่า คุณจึงสามารถคำนวณมวลนี้เป็น (3.9 × 10)⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7.76 × 10³⁹ กรัม ความหนาแน่นจึงเป็น:

นักดาราศาสตร์ได้สร้างระบบการจำแนกประเภทที่แตกต่างกันสำหรับหลุมดำ โดยระบบหนึ่งอิงจากมวลเพียงอย่างเดียว และอีกระบบหนึ่งขึ้นอยู่กับประจุและการหมุน ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น หลุมดำส่วนใหญ่ (ถ้าไม่ใช่ทั้งหมด) จะหมุนรอบแกน เช่นเดียวกับโลกเอง

การจำแนกหลุมดำตามมวลทำให้เกิดระบบต่อไปนี้:

• ​หลุมดำดั้งเดิม:สิ่งเหล่านี้มีมวลใกล้เคียงกับโลก สิ่งเหล่านี้เป็นเพียงการสมมุติเท่านั้น และอาจเกิดจากการรบกวนของแรงโน้มถ่วงในระดับภูมิภาคหลังจากเกิดบิกแบงทันที
• ​หลุมดำมวลดาวฤกษ์:ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ มวลเหล่านี้มีมวลประมาณ 4 ถึง 15 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และเป็นผลมาจากการล่มสลาย "ดั้งเดิม" ของดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าค่าเฉลี่ยที่จุดสิ้นสุดอายุขัยของมัน
• ​หลุมดำมวลปานกลาง:ยังไม่ได้รับการยืนยัน ณ ปี 2019 หลุมดำเหล่านี้ ซึ่งมีมวลประมาณสองสามพันเท่าของดวงอาทิตย์ อาจมีอยู่ในกระจุกดาวบางกลุ่ม และในเวลาต่อมาอาจผลิบานเป็นหลุมดำมวลมหาศาล
• ​หลุมดำมวลมหาศาล:นอกจากนี้ ที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ยังมีมวลดวงอาทิตย์ตั้งแต่ล้านถึงหนึ่งพันล้านเท่าและพบได้ที่ศูนย์กลางของดาราจักรขนาดใหญ่

ในรูปแบบอื่น หลุมดำสามารถจัดประเภทตามการหมุนและประจุแทน:

• ​หลุมดำชวาร์ซชิลด์:ยังเป็นที่รู้จักกันในนามหลุมดำคงที่หลุมดำชนิดนี้ไม่หมุนและไม่มีประจุไฟฟ้า มันจึงมีลักษณะเฉพาะโดยมวลของมันเพียงอย่างเดียว
• ​หลุมดำเคอร์:นี่คือหลุมดำที่หมุนได้ แต่เหมือนหลุมดำชวาร์สไชลด์ ไม่มีประจุไฟฟ้า
• ​หลุมดำที่ถูกชาร์จ:เหล่านี้มาในสองพันธุ์ ค่าใช้จ่าย,ไม่หมุนหลุมดำเรียกว่า aหลุมดำไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอมในขณะที่มีการเรียกเก็บเงินหมุนหลุมดำเรียกว่า aหลุมดำเคอร์-นิวแมน​.

คุณคงคิดถูกแล้วที่เริ่มสงสัยว่านักวิทยาศาสตร์ได้สรุปข้อสรุปที่มั่นใจมากมายเกี่ยวกับวัตถุซึ่งตามคำจำกัดความแล้วไม่อาจมองเห็นได้ ความรู้มากมายเกี่ยวกับหลุมดำได้รับการอนุมานได้จากพฤติกรรมและลักษณะที่ปรากฏของวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง เมื่อหลุมดำและดาวฤกษ์อยู่ใกล้กันมากพอ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงชนิดพิเศษจะส่งผลและอาจทำให้นักดาราศาสตร์ตื่นตัวได้

บางครั้งอาจเห็นไอพ่นก๊าซขนาดใหญ่พุ่งออกมาจาก "ปลาย" ของหลุมดำ บางครั้งก๊าซนี้สามารถรวมตัวกันเป็นรูปวงกลมที่คลุมเครือเรียกว่า anดิสก์เสริมแรง. มีทฤษฎีเพิ่มเติมว่าหลุมดำปล่อยรังสีชนิดหนึ่งที่เรียกว่าอย่างเหมาะสมรังสีหลุมดำ black(หรือรังสีฮอว์คิง). การแผ่รังสีนี้อาจหนีออกจากหลุมดำเนื่องจากการก่อรูปของคู่ "สสาร-ปฏิสสาร" (เช่นอิเล็กตรอนและโพซิตรอน) อยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ และต่อมามีเพียงสมาชิกที่เป็นบวกของคู่เหล่านี้เป็นการแผ่รังสีความร้อน

ก่อนการเปิดตัวของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลในปี 1990 นักดาราศาสตร์ได้งงงวยมานานแล้วเกี่ยวกับวัตถุที่อยู่ห่างไกลที่พวกเขาตั้งชื่อว่าควาซาร์การบีบอัดของ "วัตถุกึ่งดาว" เช่นเดียวกับหลุมดำมวลยวดยิ่ง การดำรงอยู่ของมันคือ ค้นพบในภายหลังวัตถุพลังงานสูงที่หมุนเร็วเหล่านี้ถูกพบที่ศูนย์กลางของขนาดใหญ่ กาแล็กซี่ ปัจจุบันหลุมดำถือเป็นสิ่งที่ขับเคลื่อนพฤติกรรมของควาซาร์ ซึ่งพบได้เพียงระยะทางมหาศาลเท่านั้น เนื่องจากพวกมันมีอยู่ในวัยทารกสัมพัทธ์ของจักรวาล แสงของพวกมันเพิ่งจะถึงโลกหลังจากผ่านไปประมาณ 13 พันล้านปี

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บางคนเสนอว่ากาแลคซีที่ดูเหมือนจะเป็นประเภทพื้นฐานที่แตกต่างกันเมื่อมองจากโลกอาจเป็นประเภทเดียวกัน แต่มีด้านที่แตกต่างกันออกไปสู่โลก บางครั้ง พลังงานควาซาร์ก็มองเห็นได้และให้เอฟเฟกต์ "ประภาคาร" ในลักษณะที่โลก เครื่องมือบันทึกกิจกรรมของควาซาร์ ในขณะที่ในบางครั้ง ดาราจักรดู "เงียบ" มากกว่าเพราะพวกมัน ปฐมนิเทศ.