Склад чорної діри

Коли ви чуєте фразу "чорна діра", це майже напевно викликає відчуття таємниці та подиву, можливо, відтінку елементом небезпеки. Хоча термін "чорна діра" став синонімом у повсякденній мові поняття "місце, де щось відбувається, і його ніколи не можна побачити знову ж таки, "більшість людей знайомі з його використанням у світі астрономії, якщо не обов'язково з точними характеристиками та визначення.

Протягом десятиліть серед найпоширеніших рефренів, що підсумовують чорні діри, є "місце, де гравітація така сильна, навіть не світло може втекти ". Хоча це досить точне резюме для початку, природно дивуватися, як таке могло статися з.

Інших питань багато. Що всередині чорної діри? Чи існують різні типи чорних дір? А який типовий розмір чорної діри, якщо припустити, що така річ існує і її можна виміряти? Запуск телескопа Хаббл зробив революцію у вивченні чорних дір.

Перш ніж глибоко заглиблюватися в тему чорних дір - і поганих каламбурів - корисно ознайомитися з основною термінологією, яка використовується для визначення властивостей та геометрії чорних дір.

Найголовніше, що кожна чорна діра має свій ефективний центр, aособливість, який складається з речовини, настільки стиснутої, що це майже точкова маса. Величезна щільність утворює гравітаційне поле настільки потужне, що на певну відстань навіть фотони, які є "частинками" світла, не можуть вирватися. Ця відстань відома якРадіус Шварцшильда; у чорній дірі, що не обертається (і про більш динамічний тип ви дізнаєтесь у наступному розділі), невидима сфера з цим радіусом із особливістю в центрі утворюєгоризонт подій​.

Звичайно, нічого з цього не пояснює, звідки насправді походять чорні діри. Вони з’являються спонтанно і в випадкових місцях у космосі? Якщо так, чи є якась передбачуваність їх появи? Враховуючи їх хвалену силу, було б корисно знати, чи не планує чорна діра створити магазин поблизу Сонячної системи Землі.

Вперше існування чорних дір було запропоновано в 1700-х роках, але тогочасним вченим не вистачало інструментів, необхідних для підтвердження будь-чого із запропонованого. На початку 1900-х років німецький астроном Карл Шварцшильд (так, той) використовував теорію Ейнштейна загального теорія відносності, щоб встановити найбільш видатну фізично поведінку чорних дір - їх здатність "затримувати" світло.

Теоретично, на основі робіт Шварцшильда, будь-яка маса може служити основою для чорної діри. Єдина вимога полягає в тому, щоб його радіус після стискання не перевищував радіус Шварцшильда.

Існування чорних дір викликало у фізиків загадку, хоч і привабливу, щоб спробувати її вирішити. Вважається, що завдяки просторово-часовій кривизні, що виникає внаслідок надзвичайної сили тяжіння в околицях чорної діри, фактичні закони фізики порушуються; оскільки горизонт подій недоступний з людського аналізу, цей конфлікт насправді не є конфліктом для астрофізиків.

Якщо розглядати розмір чорної діри як сферу, утворену горизонтом подій, щільність набагато інша, ніж чорна діра отвір обробляється замість цього лише як смішно крихітна обвалена зірка з масою, що утворює особливість (докладніше про це в момент).

Вчені вважають, що чорні діри можуть бути такими ж крихітними, як певні атоми, і при цьому мати таку ж масу, як гора на Землі. З іншого боку, деякі з них можуть бути приблизно в 15 разів або більше, ніж сонце, при цьому все ще крихітні (але не атомні за розміром). Цізоряні чорні діризустрічаються по всій галактиці, включаючи Чумацький Шлях, в якому мешкають Земля та Сонячна система.

Однак інші чорні діри можуть бути набагато, набагато більшими. Цінадмасивні чорні діриможе бути більш ніж у мільйон разів масивнішою за сонце, і, як вважають, кожна галактика має одну в центрі. Той, що в центрі Чумацького Шляху, охрестилиСтрілець А, є достатньо великим, щоб вмістити кілька мільйонів Землі, але цей обсяг блідне в порівнянні з масою об’єкта - за оцінками, вона становить 4 мільйони сонць.

Замість того, щоб утворюватись і з’являтися непередбачувано, загроза, на яку натякали раніше, чорні діри, як вважають, утворюються одночасно з більшими об’єктами, в яких вони живуть." Вважається, що деякі крихітні чорні діри сформувались одночасно з появою самого космосу, на момент Великого вибуху майже 14 мільярдів років тому.

Відповідно, надмасивні чорні діри в межах окремих галактик утворюються в той час, коли ці галактики об’єднуються в існування з міжзоряної речовини. Інші чорні діри утворюються як наслідок насильницької події, яка називається анаднової​.

Наднова - це імплазивна, або "травматична" смерть зірки, на відміну від зірки, яка вигорає, як гігантський небесний вугілля. Такі події трапляються, коли зірка вичерпала стільки палива, що вона починає руйнуватися під власною масою. Ця імплозія призводить до відскоку вибуху, який скидає велику частину того, що залишилося від зірки, залишаючи на її місці сингулярність.

Однією з вищезазначених проблем для фізиків є те, що щільність частини чорної діри розглядається як особливість не можна обчислити як щось інше, як нескінченне, оскільки невідомо, наскільки крихітна маса насправді (наприклад, наскільки малий об'єм вона займає). Для значущого обчислення щільності чорної діри необхідно використовувати її радіус Шварцшильда.

Чорна діра земної маси має теоретичну щільність близько 2 × 10²⁷ г / см³ (для довідки, щільність води становить лише 1 г / см³). Таку величину практично неможливо поставити в контекст повсякденного життя, але космічні результати передбачувано унікальні. Для обчислення цього ви ділите масу на об’єм після «виправлення» радіуса, використовуючи відносні маси чорної діри та сонця, як показано в наступному прикладі.

​Приклад проблеми:Чорна діра має масу близько 3,9 мільйона (3,9 × 10⁶) сонця, маса сонця дорівнює 1,99 × 10³³ грамів, і вважається кулею з радіусом Шварцшильда 3 × 10⁵ см. Яка його щільність?

Спочатку знайдітьефективний радіус сфери, що утворює горизонт подіймноженням радіуса Шварцшильда на відношення маси чорної діри до маси Сонця, отриманої як 3,9 мільйона:

Потім обчислюють об’єм кулі, знайдений за формулою V = (4/3) πr³:

Нарешті, розділіть масу кулі на цей об’єм, щоб отримати щільність. Оскільки вам дана маса Сонця і той факт, що маса чорної діри в 3,9 мільйона разів більша, ви можете обчислити цю масу як (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ g) = 7,76 × 10³⁹ g. Отже, щільність:

Астрономи створили різні системи класифікації чорних дір, одна на основі лише маси, а інша - на основі заряду та обертання. Як було зазначено вище, більшість (якщо не всі) чорних дір обертаються навколо осі, як і сама Земля.

Класифікація чорних дір на основі маси дає таку систему:

• ​Первісні чорні діри:Вони мають маси, подібні до маси Землі. Вони суто гіпотетичні і могли утворитися внаслідок регіональних гравітаційних порушень відразу після Великого вибуху.
• ​Зоряна маса чорних дір:Згадані раніше, вони мають маси приблизно від 4 до 15 мас Сонця і є результатом "традиційного" колапсу зірки, більшої за середню, на кінці її життя.
• ​Чорні діри середньої маси:Непідтверджені станом на 2019 рік, ці чорні діри - приблизно в кілька тисяч разів масивніші від сонця - можуть існувати в деяких зоряних скупченнях, а також пізніше можуть розквітнути у надмасивні чорні діри.
• ​Надмасивні чорні діри:Також згадані раніше, вони можуть похвалитися від мільйона до мільярда мас Сонця і знаходяться в центрах великих галактик.

В альтернативній схемі чорні діри можна класифікувати відповідно до їх обертання та заряду:

• ​Чорна діра Шварцшильда:Також відомий як aстатична чорна діра, цей тип чорної діри не обертається і не має електричного заряду. Тому він характеризується лише своєю масою.
• ​Чорна діра Керра:Це чорна діра, що обертається, але, як і чорна діра Шварцшильда, вона не має електричного заряду.
• ​Заряджена чорна діра:Вони бувають двох різновидів. Заряджений,не обертаєтьсяЧорна діра відома якЧорна діра Рейсснера-Нордстрема, в той час як заряджений,обертовийчорна діра називається аЧорна діра Керра-Ньюмана​.

Ви мали б рацію, коли почали дивуватися, як вчені зробили стільки впевнених висновків щодо об’єктів, що за визначенням неможливо візуалізувати. Багато знань про чорні діри випливає з поведінки та зовнішнього вигляду відносно розташованих поруч предметів. Коли чорна діра і зірка знаходяться досить близько один до одного, виникає особливий вид високоенергетичного електромагнітного випромінювання, який може дати сповіщення астрономам.

Іноді можна побачити великі струмені газу, що виступають із «кінців» чорної діри; іноді цей газ може злитися в неясно кругову форму, відому якакреційний диск. Далі теоретизується, що чорні діри випромінюють випромінювання, яке називається, відповідно,випромінювання чорної діри(абоВипромінювання Хокінга). Це випромінювання може уникнути чорної діри внаслідок утворення пар "речовина-антиматерія" (наприклад,електрониіпозитрони) безпосередньо поза горизонтом подій і подальшим випромінюванням лише позитивних членів цих пар у якості теплового випромінювання.

До запускуКосмічний телескоп Хабблв 1990 році астрономи довго ламали голову над дуже віддаленими об'єктами, які вони назваликвазари, стиснення "квазізоряних об'єктів". Як надмасивні чорні діри, існування яких було виявлені пізніше, ці швидко закручені об'єкти високої енергії знаходяться в центрах великих галактик. Чорні діри в даний час розглядаються як сутності, що керують поведінкою квазарів, яких знаходять лише величезні відстані, оскільки вони існували у відносному дитинстві Космосу; їхнє світло зараз досягає Землі після приблизно 13 мільярдів років транзиту.

Деякі астрофізики припускають, що галактики, які здаються різними основними типами при огляді з Землі, насправді можуть бути одного типу, але з різними сторонами, представленими до Землі. Іноді енергія квазара видно і забезпечує своєрідний ефект "маяка" з точки зору того, як Земля прилади реєструють активність квазара, тоді як в інші часи галактики виглядають більш "тихими" через свою орієнтація.