Bir Kara Deliğin Bileşimi

"Kara delik" ifadesini duyduğunuzda, muhtemelen bir tehlike unsuruyla karıştırılmış bir gizem ve merak duygusu uyandırır. "Kara delik" terimi, günlük dilde "bir şeyin gittiği, asla görülemeyecek bir yer" ile eş anlamlı hale geldi. Yine," çoğu insan, kesin özellikleri ve özellikleri ile olmasa da, astronomi dünyasında kullanımına aşinadır. tanımlar.

Onlarca yıldır kara delikleri özetleyen en yaygın nakaratlar arasında "yerçekiminin çok güçlü olduğu bir yer, hatta ışık kaçabilir." Bu, başlamak için yeterince doğru bir özet olsa da, böyle bir şeyin nasıl başladığını merak etmek doğaldır. ile.

Diğer sorular bol. Bir kara deliğin içinde ne var? Kara deliklerin farklı türleri var mı? Ve böyle bir şeyin var olduğunu ve ölçülebileceğini varsayarsak, tipik bir kara delik boyutu nedir? Hubble Teleskobu'nun piyasaya sürülmesi, kara deliklerin nasıl çalışılabileceği konusunda devrim yarattı.

Kara delikler - ve kötü kelime oyunları - konusuna derinlemesine girmeden önce, kara deliklerin özelliklerini ve geometrisini tanımlamak için kullanılan temel terminolojiyi gözden geçirmek faydalı olacaktır.

En önemlisi, her kara deliğin etkin merkezinde birtekillikneredeyse bir nokta kütlesi olacak kadar sıkıştırılmış maddeden oluşur. Ortaya çıkan muazzam yoğunluk, o kadar güçlü bir yerçekimi alanı üretir ki, belirli bir mesafeye kadar ışığın "parçacıkları" olan fotonlar bile serbest kalamaz. Bu mesafe olarak bilinirSchwarzchild yarıçapı; dönmeyen bir karadelikte (ve daha dinamik türü sonraki bölümde öğreneceksiniz), merkezinde tekillik bulunan bu yarıçapa sahip görünmez küre,olay ufku​.

Tabii ki, bunların hiçbiri kara deliklerin gerçekte nereden geldiğini açıklamıyor. Evrende kendiliğinden ve rastgele yerlerde mi ortaya çıkıyorlar? Eğer öyleyse, görünüşleriyle ilgili herhangi bir öngörülebilirlik var mı? Övülen güçleri göz önüne alındığında, bir kara deliğin Dünya'nın güneş sisteminin genel çevresinde mağaza kurmayı planlayıp planlamadığını bilmek faydalı olacaktır.

Kara deliklerin varlığı ilk olarak 1700'lerde önerildi, ancak günün bilim adamları, önerdiklerinden herhangi birini doğrulamak için gereken araçlardan yoksundu. 1900'lerin başında, Alman gökbilimci Karl Schwarzchild (evet, o) Einstein'ın genel kara deliklerin fiziksel olarak en belirgin davranışını oluşturmak için görelilik - ışığı "tuzaklama" yetenekleri.

Teoride, Schwarzchild'in çalışmasına dayanarak, herhangi bir kütle bir kara deliğin temeli olabilir. Tek gereksinim, sıkıştırıldıktan sonra yarıçapının Schwarzchild yarıçapını aşmamasıdır.

Kara deliklerin varlığı, fizikçilere çözmeye çalışmak için çekici olsa da bir bilmece sundu. Kara deliğin çevresindeki olağanüstü yerçekimi kuvvetinden kaynaklanan uzay-zaman eğriliği sayesinde, fizik yasalarının fiilen çöktüğüne; Olay ufkuna insan analizinden erişilemediği için, bu çatışma aslında astrofizikçiler için bir çatışma değildir.

Olay ufkunun oluşturduğu küre olarak kara delik boyutu düşünülürse, yoğunluk kara delik boyutundan çok farklıdır. bunun yerine delik, yalnızca tekilliği oluşturan kütleye sahip gülünç derecede küçük çökmüş yıldız olarak ele alınır (bu konuda daha fazlası an).

Bilim adamları, kara deliklerin belirli atomlar kadar küçük olabileceğine, ancak Dünya'daki bir dağ kadar kütleye sahip olabileceğine inanıyor. Öte yandan, bazıları hala küçükken (ancak atomik boyutta değil) güneşten yaklaşık 15 kat daha büyük olabilir. Bunlaryıldız kara deliklerDünya ve güneş sisteminin bulunduğu Samanyolu da dahil olmak üzere galaksilerde bulunur.

Yine de diğer kara delikler çok, çok daha büyük olabilir. Bunlarsüper kütleli kara deliklerGüneşten bir milyon kat daha büyük olabilir ve her galaksinin merkezinde bir tane olduğuna inanılır. Samanyolu'nun merkezindeki lakaplıYay A, birkaç milyon Dünya'yı tutacak kadar büyüktür, ancak bu hacim nesnenin kütlesine kıyasla sönük kalır - tahminen 4 milyon güneş kütlesi.

Daha önce hafifçe ima edilen bir tehdit oluşturan ve öngörülemeyen bir şekilde ortaya çıkmaktan ziyade, kara deliklerin, içinde bulundukları daha büyük nesnelerle aynı zamanda oluştuğuna inanılmaktadır. onlar yaşıyor." Bazı küçük kara deliklerin, neredeyse 14 milyar yıl önce Büyük Patlama sırasında, kozmosun kendisinin ortaya çıktığı sırada oluştuğuna inanılıyor. önce.

Buna uygun olarak, bireysel galaksiler içindeki süper kütleli kara delikler, bu galaksiler yıldızlararası maddeden bir araya geldiklerinde oluşur. Diğer kara delikler, şiddetli bir olayın sonucu olarak oluşur.süpernova​.

Bir süpernova, devasa bir gök kor gibi yanan bir yıldızın aksine, bir yıldızın patlamalı veya "travmatik" ölümüdür. Bu tür olaylar, bir yıldız yakıtının çoğunu tükettiğinde kendi kütlesi altında çökmeye başladığında meydana gelir. Bu patlama, yıldızdan geriye kalanların çoğunu fırlatan ve yerinde bir tekillik bırakan bir geri tepme patlamasıyla sonuçlanır.

Fizikçiler için yukarıda bahsedilen sorunlardan biri, kara deliğin tekillik olarak kabul edilen bölümünün yoğunluğunun olmasıdır. Kütlenin gerçekte ne kadar küçük olduğu (örneğin, hacminin ne kadar küçük olduğu) belirsiz olduğundan, sonsuzdan başka bir şey olarak hesaplanamaz. işgal eder). Bir kara deliğin yoğunluğunu anlamlı bir şekilde hesaplamak için Schwarzchild yarıçapı kullanılmalıdır.

Dünya kütleli bir kara delik, yaklaşık 2 × 10 teorik yoğunluğa sahiptir.²⁷ g/cm³ (referans olarak, suyun yoğunluğu sadece 1 g/cm3'tür.³). Böyle bir büyüklüğü günlük yaşam bağlamına yerleştirmek pratikte imkansızdır, ancak kozmik sonuçlar tahmin edilebileceği gibi benzersizdir. Bunu hesaplamak için, aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi, kara deliğin ve güneşin göreceli kütlelerini kullanarak yarıçapı "düzelttikten" sonra kütleyi hacme bölersiniz.

​Örnek sorun:Bir kara delik yaklaşık 3,9 milyon (3.9 × 10) kütleye sahiptir.⁶) güneşler, güneşin kütlesi 1.99 × 10³³ gramdır ve Schwarzchild yarıçapı 3 × 10 olan bir küre olduğu varsayılır.⁵ santimetre. Yoğunluğu nedir?

İlk olarak, bulunolay ufkunu oluşturan kürenin etkin yarıçapıSchwarzchild yarıçapını kara deliğin kütlesinin güneşin kütlesine oranıyla çarparak, 3,9 milyon olarak verilir:

Ardından, V = (4/3)πr formülünden bulunan kürenin hacmini hesaplayın.³:

Son olarak, yoğunluğu elde etmek için kürenin kütlesini bu hacme bölün. Güneşin kütlesi size verildiği ve kara deliğin kütlesinin 3,9 milyon kat daha büyük olduğu gerçeğinden dolayı, bu kütleyi (3.9 × 10) olarak hesaplayabilirsiniz.⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Bu nedenle yoğunluk:

Gökbilimciler, kara delikler için biri yalnızca kütleye, diğeri yük ve dönmeye dayalı farklı sınıflandırma sistemleri üretti. Yukarıda bahsedildiği gibi, kara deliklerin çoğu (hepsi değilse de) Dünya'nın kendisi gibi bir eksen etrafında döner.

Kara delikleri kütleye göre sınıflandırmak aşağıdaki sistemi verir:

• ​İlkel kara delikler:Bunlar, Dünya'nınkine benzer kütlelere sahiptir. Bunlar tamamen varsayımsaldır ve Büyük Patlama'nın hemen ardından bölgesel yerçekimi rahatsızlıkları yoluyla oluşmuş olabilir.
• ​Yıldız kütleli kara delikler:Daha önce bahsedildiği gibi, bunların yaklaşık 4 ila 15 güneş kütlesi arasında kütleleri vardır ve ortalamadan daha büyük bir yıldızın ömrünün sonundaki "geleneksel" çöküşünden kaynaklanır.
• ​Orta kütleli kara delikler:2019 itibariyle onaylanmayan bu kara delikler - güneşten yaklaşık birkaç bin kat daha büyük - bazı yıldız kümelerinde var olabilir ve daha sonra süper kütleli kara deliklere dönüşebilir.
• ​Süper kütleli kara delikler:Daha önce de belirtildiği gibi, bunlar bir milyon ila bir milyar güneş kütlesi arasında övünür ve büyük galaksilerin merkezlerinde bulunur.

Alternatif bir şemada, kara delikler dönüşlerine ve yüklerine göre sınıflandırılabilir:

• ​Schwarzschild kara deliği:olarak da bilinirstatik kara delik, bu tür kara delik dönmez ve elektrik yükü yoktur. Bu nedenle, yalnızca kütlesi ile karakterize edilir.
• ​Kerr kara delik:Bu dönen bir kara deliktir, ancak Schwarzschild kara deliği gibi elektrik yükü yoktur.
• ​Yüklü kara delik:Bunlar iki çeşitte gelir. ücretli,dönmeyenkara delik olarak bilinirReissner-Nordstrom kara delik, şarj olurken,dönenkara delik denirKerr-Newman kara delik​.

Bilim adamlarının nesneler hakkında tanım gereği görselleştirilemeyecek kadar çok emin sonuca nasıl vardıklarını merak etmeye başlamışsınızdır. Kara deliklerle ilgili pek çok bilgi, nispeten yakındaki nesnelerin davranışları ve görünümlerinden çıkarılmıştır. Bir kara delik ve bir yıldız birbirine yeterince yakın olduğunda, özel bir tür yüksek enerjili elektromanyetik radyasyon ortaya çıkar ve astronomları uyarabilir.

Büyük gaz jetleri bazen bir kara deliğin "uçlarından" dışarı fırlarken görülebilir; bazen, bu gaz, bir olarak bilinen belli belirsiz dairesel bir formda birleşebilir.yığılma diski. Kara deliklerin, uygun bir şekilde şu şekilde adlandırılan bir tür radyasyon yaydığı da teorize edilmiştir:kara delik radyasyonu(veyaHawking radyasyonu). Bu radyasyon, "madde-antimadde" çiftlerinin (örn.elektronlarvepozitronlar) olay ufkunun hemen dışında ve termal radyasyon olarak bu çiftlerin sadece pozitif üyelerinin müteakip emisyonu.

lansmanından önceHubble uzay teleskobu1990'da, gökbilimciler, adlandırdıkları çok uzak nesneler üzerinde uzun süre kafa karıştırdılar.kuasarlar, "yarı yıldız nesnelerinin" sıkıştırılması. Varlığı çok büyük olan süper kütleli kara delikler gibi. Daha sonra keşfedilen bu hızla dönen yüksek enerjili nesneler, büyük gezegenlerin merkezlerinde bulunur. galaksiler. Kara delikler artık, kozmosun göreli bebeklik döneminde var oldukları için yalnızca çok büyük mesafelerde bulunan kuasarların davranışlarını yönlendiren varlıklar olarak görülüyor; onların ışığı, yaklaşık 13 milyar yıllık bir geçişten sonra şimdi Dünya'ya ulaşıyor.

Bazı astrofizikçiler, Dünya'dan bakıldığında farklı temel tipler gibi görünen galaksilerin aslında aynı tip olabileceğini, ancak farklı taraflarının Dünya'ya dönük olduğunu öne sürdüler. Bazen, kuasar enerjisi görünürdür ve Dünya'nın nasıl olduğu konusunda bir tür "deniz feneri" etkisi sağlar. enstrümanlar kuasarın aktivitesini kaydederken, diğer zamanlarda galaksiler yapıları nedeniyle daha "sessiz" görünürler. oryantasyon.