أنواع الثقوب السوداء
هناك أربعة أنواع من الثقوب السوداء بناءً على كتلتها: النجمية، والمتوسطة، والثقوب السوداء.
الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية صغيرة ولكنها مميتة
تحتوي مجرة درب التبانة على حوالي مائة مليون أسودالثقوب التي تشكلت نتيجة انهيار النجوم الضخمة للغاية. يزن كل من هذه الثقوب السوداء النجمية حوالي 10 أضعاف وزن شمسنا. عدد قليل جدًا من هذه الثقوب السوداء على مقربة من نجم عادي يتدفق ببطء إلى ثقب أسود. عندما يسقط هذا الغاز باتجاه الثقب الأسود ، يسخن بفعل الجاذبية الشديدة والاحتكاك. بالقرب من الثقب الأسود ، يصل الغاز إلى درجة حرارة نموذجية تبلغ 10 ملايين درجة مئوية. من السهل ملاحظة مصادر الأشعة السينية من الثقوب السوداء في جميع أنحاء مجرة درب التبانة ، وكذلك في المجرات القريبة ، باستخدام مراصد الأشعة السينية التي تدور حولها.
يشار إلى أن أي ثقب أسود بالكامليتم وصفه بواسطة رقمين فقط يحددان كتلته وسرعة دورانه. لا نعرف أي شيء أبسط من الجسيم الأولي مثل الإلكترون. قام علماء CFA بقياس كل من هذه المعلمات الأساسية - الكتلة والدوران - لأكثر من عشرة ثقوب سوداء نجمية ، ودرسوا جميع جوانب هذه الثقوب السوداء وأنظمتها.
على الرغم من وجوده في كل مكان في الكون ،تبقى الثقوب السوداء أجسامًا غامضة للغاية. نحن بحاجة إلى نظرية الجاذبية الكمومية التي ستجمع بين نظرية النسبية لأينشتاين عام 1916 ونظرية ميكانيكا الكم لعام 1926. مثل هذه النظرية غير موجودة ، على الرغم من عقود من الجهود النظرية من قبل علماء الفيزياء الذين يدرسون نظرية الأوتار وغيرها. سيصبح إنشاء نظرية الجاذبية الكمومية تاجًا للفيزياء على قدم المساواة مع إنجازات نيوتن وآينشتاين وعمالقة آخرين.
ثقب أسود متوسط الكتلة (IMBH) - عالق في المنتصف
بين فئات الثقوب السوداء ذات الحجم النجميويجب أن يكون هناك وسيط آخر فائق الكتلة. وعلى أية حال، وفقا لقوانين المنطق. ألا ينبغي أن تكون هناك ثقوب سوداء متوسطة الحجم تشكل الفرق بين الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية والثقوب السوداء فائقة الكتلة؟ تسمى هذه الكتل الكونية المتوسطة، والتي يمكن أن تتراوح من حوالي 100 إلى 1 مليون كتلة شمسية - على الرغم من أن النطاق الدقيق يختلف اعتمادًا على من تسأل - بالثقوب السوداء متوسطة الكتلة، IMBHs. وعلى الرغم من أن علماء الفلك قد وجدوا عدة مرشحات مقنعة لـ IMBH منتشرة في جميع أنحاء الكون، فإن مسألة ما إذا كانت موجودة بالفعل لا تزال دون حل. ومع ذلك، تبدأ الأدلة في التراكم.
على الرغم من وجود دليل قاطع على الوجودلا يزال IMBH بعيد المنال ، حيث كشف عدد من الدراسات على مدى العقود القليلة الماضية عن أدلة مثيرة للاهتمام تشير إلى وجود هذه الثقوب السوداء ليست كبيرة جدًا وليست صغيرة جدًا.
رسم توضيحي لثقب أسود صغير ، مثل اثنين من النجوم الزائفة البعيدة الخالية من الغبار التي اكتشفها مؤخرًا تلسكوب سبيتزر الفضائي. (الصورة مقدمة من NASA / JPL-Caltech)
على سبيل المثال ، في عام 2003 ، استخدم الباحثونالمرصد الفضائي XMM-Newton التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) لتحديد مصدرين قويين ومتميزين للأشعة السينية في مجرة الانفجار النجمي القريبة NGC 1313. لأن الثقوب السوداء تميل إلى التهام المواد التي تقترب بشدة وتنثر عالياً. -طاقة الإشعاع ، فهي من أقوى مصادر الأشعة السينية المعروفة. من خلال تحديد مصادر الأشعة السينية في NGC 1313 ودراسة كيفية اندلاعها بشكل دوري ، في عام 2015 ، تمكن الباحثون من الحد من كتلة أحد الثقوب السوداء المفترضة في المجرة والمعروفة باسم NGC 1313 X-1. لقد قدروا أن هذه الكتلة تبلغ حوالي 5000 ضعف كتلة الشمس ، سواء أكان ذلك أم لا ، مما يضعها بثقة في نطاق كتلة ثقب أسود متوسط الكتلة.
وبالمثل، في عام 2009، اكتشف الباحثوندليل أقوى على وجود ثقب أسود متوسط الحجم. يقع على بعد حوالي 290 مليون سنة ضوئية من حافة المجرة ESO 243-49، لاحظ الفريق مصدرًا ساطعًا للأشعة السينية يسمى HLX-1 (مصدر الأشعة السينية شديدة الإضاءة 1)، والذي ليس له نظير بصري. يشير هذا إلى أن الجسم المرصود ليس مجرد نجم أو مجرة. بالإضافة إلى ذلك، وجد الباحثون أن توقيع الأشعة السينية لـ HLX-1 يتغير بمرور الوقت، مما يشير إلى أن الثقب الأسود يصبح أكثر سطوعًا في كل مرة يقترب فيها نجم قريب منه، مما يغذي الغاز ويسبب دفعات قصيرة من الأشعة السينية التي تتلاشى بعد ذلك ببطء. بعيد. واستنادا إلى سطوع التوهجات المرصودة، حسب الباحثون أن الحد الأدنى لكتلة الثقب الأسود يبلغ نحو 500 مرة كتلة الشمس، على الرغم من أن بعض التقديرات تضع وزنه أقرب إلى 20 ألف كتلة شمسية.
حاليا ، كاشفات موجات الجاذبيةتعاونت LIGO و Virgo لاكتشاف 20 ثقبًا أسود كتلته نجمية تندمج لتشكل ثقوبًا سوداء كتلتها من 20 إلى 80 كتلة شمسية. على الرغم من أن LIGO-Virgo لم يكتشف أي BHs (أكثر من 100 كتلة شمسية) ، إلا أن الباحثين متفائلون بشأن اكتشافهم في المستقبل.
ثقب بلانك الأسود (ثقب أسود صغير)
ثقب بلانك الأسود هو ثقب أسود افتراضي له أصغر كتلة ممكنة ، والتي تساوي كتلة بلانك.
كثافة مادة مثل هذا الثقب الأسود هيحوالي 1094 كجم/م3 وربما تكون أقصى كثافة كتلة يمكن تحقيقها. ويجب وصف الفيزياء عند مثل هذه المقاييس بنظريات الجاذبية الكمية التي لم يتم تطويرها بعد. مثل هذا الجسم مطابق لجسيم أولي افتراضي له (على الأرجح) أقصى كتلة ممكنة - الحد الأقصى.
تتميز ثقوب بلانك السوداء للغايةمقطع عرضي صغير للتفاعل. يؤدي صغر المقطع العرضي لتفاعل الأقوال المحايدة مع المادة إلى حقيقة أن جزءًا مهمًا (أو حتى رئيسيًا) من المادة في الكون في الوقت الحاضر يمكن أن يتكون من مبادئ أساسية ، دون أن يؤدي إلى تناقض مع الملاحظات. على وجه الخصوص ، يمكن أن تلعب المبادئ الأساسية دور المادة غير المرئية (المادة المظلمة) ، والتي يُعترف بوجودها حاليًا في علم الكونيات.
الثقوب السوداء الهائلة - ولادة العمالقة
الثقوب السوداء الصغيرة تسكن الكون ، لكنهمأبناء العم ، الثقوب السوداء الهائلة ، تهيمن. هذه الثقوب السوداء الضخمة أكبر بملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة الشمس ، لكن قطرها مماثل تقريبًا. يُعتقد أن مثل هذه الثقوب السوداء توجد في مركز كل مجرة تقريبًا ، بما في ذلك درب التبانة.
العلماء ليسوا متأكدين من حجم هذا الحجمالثقوب السوداء. بمجرد تشكل هذه الكواكب العملاقة ، فإنها تجمع كتلة من الغبار والغاز حولها ، وهي مادة متوفرة بكثرة في مركز المجرات ، مما يسمح لها بالنمو إلى أحجام أكبر.
ويمكن أن تكون النتيجة ثقوبًا سوداء هائلة الحجماندماج مئات أو آلاف الثقوب السوداء الصغيرة. وقد تكون السحب الغازية الكبيرة أيضًا مسؤولة عن انهيارها والزيادة السريعة في كتلتها. أم أنه انهيار عنقود نجمي، أي مجموعة من النجوم تتساقط معًا. يمكن أن تنشأ الثقوب السوداء الهائلة من تراكمات كبيرة من المادة المظلمة. وهي مادة يمكننا ملاحظتها من خلال تأثير جاذبيتها على الأجسام الأخرى؛ ومع ذلك، فإننا لا نعرف مما تتكون المادة المظلمة لأنها لا ينبعث منها ضوء ولا يمكن ملاحظتها بشكل مباشر.
فئة جديدة من الثقوب السوداء - الثقوب السوداء "فائقة الكتلة" أو الضخمة
لذلك ، كما نعلم بالفعل ، يحتوي عالمناثقوب سوداء ضخمة. تبلغ كتلة الثقب الأسود الهائل في مركز مجرتنا 4 ملايين شمس ، لكنها صغيرة جدًا ، مثل الثقوب السوداء المجرية. تبلغ كتلة العديد من الثقوب السوداء المجرية مليار كتلة شمسية ، وتقدر كتلة أكبر ثقب أسود معروف بنحو 70 مليار شمس. لكن ما هو حجم الثقب الأسود؟
لجعل الثقب الأسود ضخمًا حقًايجب أن تمتص كمية كبيرة من المادة في بداية حياتها. إذا استهلكت المادة ببطء ، فإن المجرة المحيطة ستسقط في مكانها وسيتمدد الكون ، بحيث لا يتمكن الثقب الأسود من التقاط المزيد من المادة. ولكن عندما يبتلع الثقب الأسود بسرعة كمية كبيرة من المادة ، تصبح المادة شديدة السخونة وتميل إلى صد المواد الأخرى ، مما يجعل من الصعب على الثقب الأسود أن ينمو.
بناءً على ملاحظات أكبر السودالثقوب والمحاكاة الحاسوبية لتشكيل الثقوب السوداء ، يُعتقد أن الحد الأعلى لكتلة الثقوب السوداء المجرية يبلغ حوالي 100 مليار كتلة شمسية. لكن بحثًا جديدًا يشير إلى أن حد الكتلة يمكن أن يكون أعلى من ذلك بكثير.
في عمل العلماء يلاحظ أنه على الرغم منمن المحتمل أن يكون للثقوب السوداء المجرية حد كتلة شمسية بمئات المليارات ، ربما تكونت الثقوب السوداء الأكبر بشكل مستقل في المراحل الأولى من الكون. يمكن أن تكون كتلة هذه الثقوب السوداء البدائية أكبر بمليون مرة من أكبر الثقوب السوداء المجرية. يسميها فريق البحث ثقوب سوداء كبيرة بشكل لا يصدق أو SLABs (ثقوب سوداء كبيرة للغاية).
كانت فكرة الثقوب السوداء البدائية موجودة منذ وقت طويل.لقد تم اقتراحهم كحل لكل شيء من المادة المظلمة إلى سبب عدم اكتشافنا للكوكب التاسع الافتراضي في نظامنا الشمسي. لكن النماذج النظرية تشير إلى أن الثقوب السوداء البدائية ستكون أصغر بكثير حتى من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية المتكونة من تقلبات الكثافة الصغيرة في الكون المبكر. لكن هذه الدراسة الجديدة تشير إلى أن المادة المظلمة وعوامل أخرى يمكن أن تسبب نموًا هائلاً في بعضها.
إذا كان الكون المبكر غنيًا بالظلامالمادة ، وخاصة شكل من أشكال المادة المظلمة المعروفة باسم الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMP) ، فإن الثقب الأسود البدائي يمكن أن يستهلك المادة المظلمة لتنمو بسرعة. بما أن المادة المظلمة لا تتفاعل بقوة مع الضوء ، فإن المادة المظلمة المحبوسة لن تصدر الكثير من الضوء أو الحرارة لإبطاء معدل نموها. نتيجة لذلك ، قد تكون هذه الثقوب السوداء ضخمة حتى قبل أن يبرد الكون وتشكل المجرات. سيعتمد الحد الأقصى للكتلة لـ SLAB على كيفية تفاعل المادة المظلمة WIMP مع نفسها ، لذلك إذا اكتشفنا أي SLABs ، فقد يساعدنا ذلك في فهم المادة المظلمة.
كيف يمكن للبشرية استخدام الثقوب السوداء؟
نظرية النسبية تتنبأ بذلكيمكن استخدام الثقوب السوداء الدوارة كمصادر للطاقة. في عام 1969 ، وصف روجر بنروز عملية للقيام بذلك. يوجد محيط إيرجوسفير حول الثقوب السوداء الدوارة - المنطقة التي تسبق أفق الحدث. جميع الأجسام في ergosphere تدور مع الثقب الأسود.
عملية بنروز (وتسمى أيضًا آليةينظر بنروز نظريًا إلى الثقوب السوداء كوسيلة لاستخراج الطاقة. يمكن أن يحدث مثل هذا الاستخراج إذا لم تكن الطاقة الدورانية للثقب الأسود موجودة داخل أفق الحدث، بل خارجه - في منطقة الزمكان كير. في هذا الغلاف الجوي، يتحرك أي جسيم بالضرورة في وضع قاطرة في وقت واحد مع دوران الزمكان، أي. يتم حمل جميع الأشياء الموجودة هناك بعيدًا بواسطته. في هذه الحالة، يتم تقسيم قطعة المادة التي تدخل الغلاف الجوي إلى قسمين. على سبيل المثال، قد تتكون المادة من جزأين يفصل بينهما إطلاق مادة متفجرة أو صاروخ يدفع نصفيها إلى بعضهما البعض. يمكن ترتيب زخم قطعتين من المادة عند انفصالهما بحيث تهرب قطعة واحدة من الثقب الأسود ("تهرب إلى ما لا نهاية") وتقع الأخرى خارج أفق الحدث في الثقب الأسود. مع الوضع الدقيق، يمكن أن يكون للجزء الهارب من المادة طاقة كتلة أكبر من الجزء الأصلي، بينما يتلقى الجزء المتساقط منه طاقة كتلة سالبة. وعلى الرغم من الحفاظ على الزخم، فإن التأثير هو أنه يمكن استخلاص المزيد من الطاقة من هذه العملية عما كان مقصودًا في الأصل. علاوة على ذلك، فإن الفرق يأتي من الثقب الأسود نفسه. وبالتالي تؤدي هذه العملية إلى انخفاض طفيف في الزخم الزاوي للثقب الأسود، والذي يتوافق مع نقل الطاقة إلى المادة. ويتم تحويل الدافع المفقود بدوره إلى طاقة مستخرجة.
تشير عملية بنروز إلى إمكانيةالحصول على الطاقة من الثقب الأسود ، لكنها ليست طريقة عملية جيدة. لتنفيذه ، من الضروري أن تكون سرعة جسيمين حديثي الولادة تتجاوز نصف سرعة الضوء. إن التكرار المتوقع لمثل هذه الأحداث نادر جدًا لدرجة أنه لن يسمح بالحصول على كمية كبيرة من الطاقة.
لذلك ، يبحث العلماء بنشاط عن آليات أخرى.على سبيل المثال ، أظهر ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء يمكنها إطلاق الطاقة من خلال الإشعاع الحراري. طريقة أخرى لاستخراج الطاقة هي عملية Blanford-Znaek ، بناءً على التفاعل الكهرومغناطيسي.
يصف لوكا كوميسو من جامعة كولومبيا وفيليبي أ. أسينجو من جامعة أدولفو إيبانيز في مقالهما بديلاً آخر لعملية بنروز.
الثقوب السوداء محاطة بجزيئات البلازما الساخنةالتي لها مجال مغناطيسي. أساس آلية جديدة للحصول على الطاقة من الثقوب السوداء الدوارة هو إعادة توصيل خطوط المجال المغناطيسي داخل الغلاف الجوي. في هذه الحالة ، يجب أن يكون الثقب الأسود في مجال مغناطيسي خارجي ، وله دوران كبير (a ~ 1) والبلازما المحيطة به مغنطة قوية. الخصائص الضرورية تمتلكها ، على سبيل المثال ، الثقوب السوداء التي تكونت نتيجة لانفجارات أشعة غاما الطويلة والقصيرة والثقوب السوداء الهائلة في نوى المجرة النشطة.
تعمل إعادة الاتصال المغناطيسي على تسريع جزء من البلازما إلىاتجاه دوران الحفرة. الجزء الآخر يتسارع في الاتجاه المعاكس ويتجاوز أفق الحدث. إن إطلاق الطاقة ، كما هو الحال في آلية بنروز ، يحدث إذا كان للبلازما الممتصة طاقة سالبة ، و "يهرب" البلازما المتسارعة من الغلاف الجوي. الفرق هو أن تكوين الجسيمات ذات الطاقة السلبية يتطلب تبديد طاقة المجال المغناطيسي. في العملية التي وصفها Penrose ، يلعب دور القصور الذاتي للجسيمات فقط.
كما يقول العلماء ، فإن كفاءة العملية الموصوفة هي 150نسبه مئويه. هذا يعني أن العملية تسمح لك بالحصول على طاقة أكثر بمقدار مرة ونصف مما تحتاج إلى إنفاقه على تنفيذها. من الممكن تحقيق كفاءة تزيد عن 100 في المائة ، لأن جزيئات البلازما المنبعثة من الغلاف الجوي تحمل طاقة الثقب الأسود. سيسمح اكتشاف آلية جديدة لاستخراج الطاقة من الثقوب السوداء لعلماء الفلك بتقدير زخم دورانهم بشكل أفضل وفهم كيفية إشعاع الطاقة. لا يزال هذا الاكتشاف بعيدًا عن التطبيق العملي: من الضروري معرفة كيفية الطيران إلى الثقب الأسود ووضع شيء ما في الغلاف الجوي الخاص به دون السقوط وراء أفق الحدث.
قراءة المزيد
قمر زحل تيتان يشبه الأرض بشكل ملحوظ. ما هي الخطط التي تمتلكها البشرية لذلك؟
تبدأ أعداد كبيرة من الحيتان الرمادية بالجوع والموت في المحيط الهادئ
يعود ثلث الذين تعافوا من مرض كوفيد -19 إلى المستشفى. كل ثمانية - يموت
تستند نظرية الأوتار على فرضية أن كل شيءتنشأ الجسيمات الأولية وتفاعلاتها الأساسية نتيجة للاهتزازات وتفاعلات الأوتار الكمومية فائقة الدقة بمقاييس ترتيب طول بلانك 10-35 م.