Įvadas į juodąsias skyles
BALANDŽIO 10 d.: Šioje Nacionalinio mokslo fondo pateiktoje nuotraukoje Event Horizon teleskopas užfiksuoja juodąją skylę M87 galaktikos centre, kurią išskiria karštos dujos, besisukančios aplink ją, veikiamos stiprios gravitacijos netoli įvykių horizonto. vaizdas, paskelbtas 2019 m. balandžio 10 d. Aštuonių radijo observatorijų tinklas šešiuose kalnuose ir keturiuose žemynuose, EHT stebėjo juodąją skylę Mesjė 87, supermilžinėje elipsinėje galaktikoje Mergelės žvaigždyne, įjungtą ir išjungtą 10 dienų balandžio mėn. 2017 m. sukurti vaizdą.
Nacionalinis mokslo fondas / Getty Images
Juodosios skylės yra visatos objektai, kurių ribose yra įstrigę tiek daug masės, kad jose yra neįtikėtinai stiprūs gravitaciniai laukai. Tiesą sakant, juodosios skylės gravitacinė jėga yra tokia stipri, kad jai patekus į vidų, niekas negali ištrūkti. Net šviesa negali ištrūkti iš juodosios skylės, ji yra įstrigusi viduje kartu su žvaigždėmis, dujomis ir dulkėmis. Daugumos juodųjų skylių masė yra daug kartų didesnė už mūsų Saulės masę, o sunkiausios gali turėti milijonus saulės masių.
Šis kompiuteriu imituotas vaizdas rodo supermasyvią juodąją skylę galaktikos šerdyje. Juodoji sritis centre vaizduoja juodosios skylės įvykių horizontą, kur jokia šviesa negali ištrūkti iš masyvaus objekto gravitacinio sukibimo. Galinga juodosios skylės gravitacija iškraipo erdvę aplink ją kaip linksmybių veidrodis. Fone esančių žvaigždžių šviesa ištempiama ir ištepama, kai žvaigždės sminga pro juodąją skylę. NASA, ESA ir D. Coe, J. Anderson ir R. van der Marel (Kosminio teleskopo mokslo institutas), Mokslas Autoriai: NASA, ESA, C.-P. Ma (Kalifornijos universitetas, Berklis) ir J. Thomas (Maxo Plancko nežemiškos fizikos institutas, Garching, Vokietija).
Nepaisant visos tos masės, tikrasis juodosios skylės šerdį sudarantis išskirtinumas niekada nebuvo matytas ar vaizduojamas. Tai, kaip rodo žodis, yra mažas erdvės taškas, tačiau jis turi DUK masę. Astronomai gali tirti šiuos objektus tik dėl jų poveikio juos supančiai medžiagai. Medžiaga aplink juodąją skylę sudaro besisukantį diską, esantį už regiono, vadinamo „įvykių horizontu“, kuris yra gravitacinis negrįžimo taškas.
Juodosios skylės struktūra
Pagrindinis juodosios skylės „statybinis blokas“ yra singuliarumas: taškas erdvės regionas, kuriame yra visa juodosios skylės masė. Aplink jį yra erdvės sritis, iš kurios šviesa negali išeiti, todėl „juodoji skylė“ vadinasi. Išorinis šio regiono „kraštas“ yra įvykių horizontas. Tai nematoma riba, kurioje gravitacinio lauko trauka yra lygi šviesos greitis . Čia taip pat yra subalansuota gravitacija ir šviesos greitis.
Įvykio horizonto padėtis priklauso nuo juodosios skylės gravitacinės traukos. Astronomai apskaičiuoja įvykių horizonto vietą aplink juodąją skylę naudodami lygtį Rs= 2GM/cdu. R yra singuliarumo spindulys, G yra gravitacijos jėga, M yra masė, c yra šviesos greitis.
Juodųjų skylių tipai ir jų susidarymas
Yra įvairių juodųjų skylių tipų ir jos atsiranda įvairiais būdais. Labiausiai paplitęs tipas yra žinomas kaip žvaigždžių masės juodoji skylė . Juose yra maždaug iki kelių kartų mūsų Saulės masė ir jie susidaro, kai yra dideli pagrindinė seka žvaigždžių (10–15 kartų didesnės už mūsų Saulės masę) branduolyje baigiasi branduolinis kuras. Rezultatas yra masinis supernovos sprogimas kuris sprogdina žvaigždžių išorinius sluoksnius į kosmosą. Tai, kas liko, žlunga ir sukuria juodąją skylę.
Menininko samprata apie žvaigždžių masės juodąją skylę (mėlyna spalva) greičiausiai susiformavo, kai griuvo supermasyvi žvaigždė, maitindama netoliese esančios žvaigždės išmestą medžiagą. ESA, NASA ir Felixas Mirabelis)
Kiti du juodųjų skylių tipai yra supermasyvios juodosios skylės (SMBH) ir mikro juodosios skylės. Viename SMBH gali būti milijonų ar milijardų saulių. Mikro juodosios skylės, kaip rodo jų pavadinimas, yra labai mažos. Jie gali turėti tik 20 mikrogramų masės. Abiem atvejais jų kūrimo mechanizmai nėra iki galo aiškūs. Mikro juodosios skylės teoriškai egzistuoja, bet nebuvo tiesiogiai aptiktos.
Nustatyta, kad daugumos galaktikų branduoliuose yra supermasyvių juodųjų skylių, o jų kilmė vis dar karštai diskutuojama. Gali būti, kad supermasyvios juodosios skylės yra susijungimo tarp mažesnių, žvaigždžių masės juodųjų skylių ir kitų reikalas . Kai kurie astronomai teigia, kad jie gali būti sukurti, kai subyrės viena labai masyvi (šimtus kartų didesnė už Saulės masę) žvaigždė. Bet kuriuo atveju jie yra pakankamai masyvūs, kad galėtų įvairiais būdais paveikti galaktiką, pradedant žvaigždžių gimstamumo rodikliais ir baigiant žvaigždžių orbitomis ir šalia esančiomis medžiagomis.
Daugelio galaktikų šerdyje yra supermasyvios juodosios skylės. Jei jie aktyviai „valgo“, tada jie skleidžia didžiulius srautus ir yra žinomi kaip aktyvūs galaktikos branduoliai. NASA/JPL-Caltech
Kita vertus, mikro juodosios skylės gali atsirasti susidūrus dviem labai didelės energijos dalelėms. Mokslininkai teigia, kad tai nuolat vyksta viršutiniuose Žemės atmosferos sluoksniuose ir greičiausiai įvyks dalelių fizikos eksperimentų metu tokiose vietose kaip CERN.
Kaip mokslininkai matuoja juodąsias skyles
Kadangi šviesa negali ištrūkti iš regiono aplink juodąją skylę, paveiktą įvykių horizonto, niekas iš tikrųjų negali „matyti“ juodosios skylės. Tačiau astronomai gali juos išmatuoti ir apibūdinti pagal jų poveikį aplinkai. Juodosios skylės, esančios šalia kitų objektų, daro jas gravitacinį poveikį. Viena vertus, masę taip pat galima nustatyti pagal medžiagos orbitą aplink juodąją skylę.
Juodosios skylės modelis, apsuptas įkaitintos jonizuotos) medžiagos. Taip gali atrodyti juodoji Paukščių Tako skylė. Brandonas DeFrise'as Carteris, CC0, „Wikimedia“.
Praktiškai astronomai nustato juodosios skylės buvimą tirdami, kaip aplink ją elgiasi šviesa. Juodosios skylės, kaip ir visi masyvūs objektai, turi pakankamai gravitacinės traukos, kad pralenktų šviesos kelią. Žvaigždėms už juodosios skylės judant jos atžvilgiu, jų skleidžiama šviesa atrodys iškraipyta arba žvaigždės judės neįprastai. Iš šios informacijos galima nustatyti juodosios skylės padėtį ir masę.
Tai ypač akivaizdu galaktikų spiečiuose, kur bendra spiečių masė, jų tamsioji medžiaga ir jų juodosios skylės sukuria keistos formos lankus ir žiedus pralenkdamas tolimesnių objektų šviesą.
Astronomai taip pat gali matyti juodąsias skyles pagal spinduliuotę, kurią skleidžia aplink juos esanti įkaitinta medžiaga, pavyzdžiui, radijo ar rentgeno spinduliai. Šios medžiagos greitis taip pat suteikia svarbių užuominų apie juodosios skylės, iš kurios ji bando pabėgti, savybes.
Hawkingo spinduliuotė
Paskutinis būdas, kuriuo astronomai galėtų aptikti juodąją skylę, yra mechanizmas, žinomas kaip Hawkingo spinduliuotė . Pavadintas garsaus teorinio fiziko ir kosmologo vardu Stephenas Hawkingas , Hawkingo spinduliuotė yra termodinamikos, kuri reikalauja, kad energija pabėgtų iš juodosios skylės, pasekmė.
Pagrindinė idėja yra ta, kad dėl natūralios sąveikos ir vakuumo svyravimų materija bus sukurta elektrono ir antielektrono (vadinamo pozitrono) pavidalu. Kai tai įvyks netoli įvykių horizonto, viena dalelė bus išstumta nuo juodosios skylės, o kita įkris į gravitacinį šulinį.
Stebėtojui viskas, kas „matoma“, yra dalelė, išsiskirianti iš juodosios skylės. Dalelė būtų laikoma turinčia teigiamą energiją. Tai reiškia, kad simetrija reiškia, kad į juodąją skylę patekusi dalelė turės neigiamą energiją. Rezultatas yra tai, kad juodoji skylė senstant praranda energiją ir dėl to praranda masę (pagal garsiąją Einšteino lygtį, E=MCdu, kur IR = energija, M =masė ir C yra šviesos greitis).
Redagavo ir atnaujinoCarolyn Collins Petersen.