Видове черни дупки
Има четири вида черни дупки въз основа на тяхната маса: звездни, междинни,
Черните дупки със звездна маса са малки, но смъртоносни
Млечният път съдържа около сто милиона чернодупки, които са се образували в резултат на колапса на много масивни звезди. Всяка от тези звездни черни дупки тежи около 10 пъти нашето Слънце. Много малко от тези черни дупки са в непосредствена близост до обикновена звезда, която бавно се прелива в черна дупка. Когато този газ попадне към черната дупка, той се нагрява от силна гравитация и триене. Близо до черна дупка газта достига типична температура от 10 милиона градуса по Целзий. Тези рентгенови източници от черни дупки са лесни за наблюдение в целия Млечен път, както и в близките галактики, като се използват орбитални рентгенови обсерватории.
Забележително е, че всяка черна дупка напълносе описва само с две числа, които определят неговата маса и скорост на въртене. Не знаем нищо по-просто от елементарна частица като електрон. Учените от CFA са измерили и двата основни параметъра - маса и спин - за над дузина звездни черни дупки, изучавайки всички аспекти на тези черни дупки и техните системи.
Въпреки своята повсеместност във Вселената,черните дупки остават изключително загадъчни обекти. Нуждаем се от теория на квантовата гравитация, която да комбинира теорията на Айнщайн от 1916 г. с теорията на квантовата механика от 1926 г. Такава теория не съществува, въпреки десетилетия на теоретични усилия на физиците, изучаващи теорията на струните и други. Създаването на теорията на квантовата гравитация ще се превърне в короната на физиката наравно с постиженията на Нютон, Айнщайн и други гиганти.
Черна дупка със средна маса (IMBH) - Забита в средата
Между класове черни дупки със звездна величинаИ свръхмасивно трябва да има още един междинен елемент. Във всеки случай, според законите на логиката. Не трябва ли да има черни дупки със среден размер, които правят разликата между черни дупки със звездна маса и свръхмасивни черни дупки? Тези средни космически маси, които могат да варират от около 100 до 1 милион слънчеви маси - въпреки че точният диапазон варира в зависимост от това кого питате - се наричат черни дупки със средна маса, дупки, IMBH). И въпреки че астрономите са открили няколко завладяващи кандидати за IMBH, разпръснати из Вселената, въпросът дали те действително съществуват все още не е разрешен. Въпреки това започват да се трупат доказателства.
Макар и окончателно доказателство за съществуванеIMBH остава неуловим, като редица изследвания през последните няколко десетилетия разкриват интригуващи доказателства, които намекват за съществуването на тези не много големи, не много малки черни дупки.
Илюстрация на млада черна дупка, като например два далечни безпрашни квазара, открити наскоро от космическия телескоп Спицър. (Снимката е предоставена от NASA / JPL-Caltech)
Например през 2003 г. изследователите са използвалиКосмическата обсерватория на ESA-Нютон на ESA, за да идентифицира два силни, различни рентгенови източника в близката галактика на избухването на звезди NGC 1313. Тъй като черните дупки са склонни да поглъщат насилствено материал, който се приближава твърде близо и бълва високо. -енергийни лъчения, те са сред най-силните известни източници на рентгеново лъчение. Чрез идентифициране на източниците на рентгенови лъчи в NGC 1313 и изучаване на това как те периодично избухват, през 2015 г. изследователите успяха да ограничат масата на една от предполагаемите черни дупки на галактиката, известна като NGC 1313 X-1. Те изчисляват, че това е около 5000 пъти масата на Слънцето, дава или взема, което го поставя уверено в диапазона на масата на междинна масова черна дупка.
По същия начин през 2009 г. изследователите открихаоще по-силно доказателство за съществуването на черна дупка със среден размер. Разположен на приблизително 290 милиона светлинни години от ръба на галактика ESO 243-49, екипът наблюдава невероятно ярък рентгенов източник, наречен HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), който няма оптичен аналог. Това предполага, че наблюдаваният обект не е просто звезда или галактика. Освен това изследователите откриха, че рентгеновата сигнатура на HLX-1 се променя с времето, което предполага, че черната дупка става по-ярка всеки път, когато близка звезда се приближи до нея, захранвайки газ и причинявайки кратки изблици на рентгенови лъчи, които след това бавно изчезват. далеч. Въз основа на яркостта на наблюдаваните изригвания, изследователите изчисляват, че минималната маса на черната дупка е около 500 пъти масата на Слънцето, въпреки че според някои оценки теглото й е по-близо до 20 000 слънчеви маси.
В момента гравитационни детектори на вълниLIGO и Дева се обединиха, за да открият 20 звездни масови черни дупки, които се сливат, образувайки черни дупки с маси от 20 до 80 слънчеви маси. Въпреки че LIGO-Virgo не е открила никакви BH (повече от 100 слънчеви маси), изследователите са оптимисти за тяхното откриване в бъдеще.
Planck черна дупка (микро черна дупка)
Черната дупка на Планк е хипотетична черна дупка с възможно най-малката маса, която е равна на масата на Планк.
Плътността на материята на такава черна дупка еоколо 1094 kg/m³ и вероятно е максималната постижима плътност на масата. Физиката в такива мащаби трябва да бъде описана от теории за квантовата гравитация, които все още не са разработени. Такъв обект е идентичен на хипотетична елементарна частица с (вероятно) максималната възможна маса - максимон.
Планк черните дупки се характеризират с изключителномалко напречно сечение на взаимодействието. Малката част на напречното сечение за взаимодействие на неутрални максимони с материята води до факта, че значителна (или дори основната) част от материята във Вселената в момента може да се състои от максимони, без да води до противоречие с наблюденията. По-специално, максимоните биха могли да играят ролята на невидима материя (тъмна материя), чието съществуване в момента се признава в космологията.
Свръхмасивни черни дупки - раждането на гиганти
Малки черни дупки обитават Вселената, но тяхнатадоминират братовчеди, свръхмасивни черни дупки. Тези огромни черни дупки са милиони или дори милиарди пъти по-масивни от Слънцето, но с приблизително същия размер в диаметър. Смята се, че такива черни дупки се намират в центъра на почти всяка галактика, включително Млечния път.
Учените не са сигурни колко големичерни дупки. След като тези гиганти се образуват, те събират маса прах и газ около себе си, материал в изобилие в центъра на галактиките, което им позволява да растат до още по-големи размери.
Резултатът може да е свръхмасивни черни дупкисливане на стотици или хиляди малки черни дупки. Големите газови облаци също могат да бъдат отговорни за техния колапс и бързо увеличаване на масата. Или е колапсът на звезден куп, група звезди, падащи заедно. Свръхмасивните черни дупки могат да възникнат от големи натрупвания на тъмна материя. Това е вещество, което можем да наблюдаваме чрез гравитационния му ефект върху други обекти; ние обаче не знаем от какво се състои тъмната материя, защото тя не излъчва светлина и не може да бъде наблюдавана директно.
Нов клас черни дупки - "супер-супермасивни" или огромни черни дупки
И така, както вече знаем, нашата Вселена съдържаогромни черни дупки. Свръхмасивната черна дупка в центъра на нашата галактика има маса от 4 милиона Слънца, но е доста малка, като галактическите черни дупки. Много галактически черни дупки имат маса от един милиард слънчеви маси, а масата на най-масивната известна черна дупка се изчислява на около 70 милиарда слънца. Но колко голяма може да бъде черната дупка?
За да направи черната дупка наистина масивнатя трябва да абсорбира голямо количество от веществото в началото на живота си. Ако бавно поглъща материята, тогава околната галактика ще се сложи на мястото си и Вселената ще се разшири, така че черната дупка не може да улови много повече материя. Но когато черна дупка бързо погълне голямо количество материя, материята става много гореща и има тенденция да отблъсква друга материя, което затруднява растежа на черната дупка.
Въз основа на наблюдения на най-големите чернокожидупки и компютърни симулации на образуването на черни дупки, се смята, че горната граница на масата на галактическите черни дупки е около 100 милиарда слънчеви маси. Но нови изследвания показват, че ограничението на масата може да бъде много по-високо.
В работата на учените се отбелязва, че въпреки чегалактическите черни дупки вероятно имат ограничение на слънчевата маса от стотици милиарди, по-големи черни дупки може да са се образували независимо в ранните етапи на Вселената. Тези първични черни дупки могат да бъдат повече от милион пъти масата на най-големите галактически черни дупки. Изследователският екип ги нарича невероятно големи черни дупки или SLAB (невероятно големи черни дупки).
Идеята за първичните черни дупки съществува отдавна.Те са предложени като решение на всичко - от тъмната материя до защо все още не сме открили хипотетична девета планета в нашата слънчева система. Но теоретичните модели предполагат, че първоначалните черни дупки биха били много по-малки от дори черните дупки със звездна маса, образувани от малки колебания на плътността в ранната Вселена. Но това ново проучване предполага, че тъмната материя и други фактори могат да причинят колосален растеж на някои от тях.
Ако ранната Вселена беше богата на тъмнинавещество, особено форма на тъмна материя, известна като слабо взаимодействащи масивни частици (WIMP), тогава първичната черна дупка може да консумира тъмна материя, за да расте бързо. Тъй като тъмната материя не взаимодейства силно със светлината, уловената тъмна материя няма да излъчва много светлина или топлина, за да забави своя темп на растеж. В резултат на това тези черни дупки биха могли да бъдат огромни дори преди Вселената да се охлади и да се образуват галактики. Горната граница на масата за SLAB ще зависи от това как WIMP тъмната материя си взаимодейства, така че ако открием някакви SLAB, това може да ни помогне да разберем тъмната материя.
Как човечеството може да използва черни дупки?
Теорията на относителността предсказва товавъртящите се черни дупки могат да се използват като енергийни източници. През 1969 г. Роджър Пенроуз описва процес за това. Около въртящите се черни дупки има ергосфера - регионът, който предхожда хоризонта на събитията. Всички тела в ергосферата се въртят с черната дупка.
Процес на Пенроуз (наричан още механизъмПенроуз) теоретично разглежда черните дупки като средство за извличане на енергия. Такова извличане може да се случи, ако ротационната енергия на черната дупка не се намира вътре в хоризонта на събитията, а извън него - в областта на пространство-времето на Кер. В тази ергосфера всяка частица задължително се движи в локомотивен режим едновременно с въртящото се пространство-време, т.е. всички предмети там са отнесени от него. В този случай парче материя, влизащо в ергосферата, се разделя на две части. Например, материята може да се състои от две части, които са разделени чрез изстрелване на експлозив или ракета, която избутва половинките й една от друга. Импулсът на две части материя, докато се разделят, може да бъде подреден така, че едното парче да избяга от черната дупка (то „отиде в безкрайността“), а другото да падне отвъд хоризонта на събитията в черната дупка. Ако се постави внимателно, отделящата се част от материята може да има по-голяма маса-енергия от оригиналната, докато падащата част от нея получава отрицателна маса-енергия. Въпреки че инерцията се запазва, ефектът е, че от този процес може да се извлече повече енергия, отколкото първоначално е било предвидено. Освен това разликата се осигурява от самата черна дупка. По този начин процесът води до леко намаляване на ъгловия импулс на черната дупка, което съответства на прехвърляне на енергия към материята. Загубеният импулс от своя страна се превръща в извлечена енергия.
Процесът на Пенроуз показва възможносттаполучаване на енергия от черна дупка, но това не е добър практически метод. За изпълнението му е необходимо две новородени частици да имат скорост, надвишаваща половината от скоростта на светлината. Очакваната честота на подобни събития е толкова рядка, че няма да позволи да се получи значително количество енергия.
Следователно учените активно търсят други механизми.Например Стивън Хокинг показа, че черните дупки могат да отделят енергия чрез топлинно излъчване. Друг начин за извличане на енергия е процесът на Бланфорд-Знаек, основан на електромагнитно взаимодействие.
Лука Комисо от Колумбийския университет и Фелипе А. Асенджо от Университета Адолфо Ибанес описват друга алтернатива на процеса на Пенроуз в статията си.
Черните дупки са заобиколени от гореща плазма, частицикоито имат магнитно поле. Основата на нов механизъм за получаване на енергия от въртящи се черни дупки е повторното свързване на линиите на магнитното поле вътре в ергосферата. В този случай черната дупка трябва да е във външно магнитно поле, да има голямо завъртане (a ~ 1) и околната плазма със силно намагнитване. Необходимите свойства притежават, например, черни дупки, образувани в резултат на дълги и къси гама-лъчи и свръхмасивни черни дупки в активни галактически ядра.
Магнитното повторно свързване ускорява част от плазмата впосоката на въртене на отвора. Другата част се ускорява в обратна посока и излиза извън хоризонта на събитията. Освобождаването на енергия, както при механизма на Пенроуз, се случва, ако абсорбираната плазма има отрицателна енергия, а ускорената „избяга“ от ергосферата. Разликата е, че образуването на частици с отрицателна енергия изисква разсейване на енергията на магнитното поле. В описания от Пенроуз процес играе роля само инерцията на частиците.
Както казват учените, ефективността на описания процес е 150процента. Това означава, че процесът ви позволява да получите един и половина пъти повече енергия, отколкото трябва да похарчите за неговото изпълнение. Постигането на ефективност над 100 процента е възможно, тъй като плазмените частици, освободени от ергосферата, отнасят енергията на черната дупка. Откриването на нов механизъм за извличане на енергия от черни дупки ще позволи на астрономите да оценят по-добре своя импулс на въртене и да разберат как излъчват енергия. Откритието е все още далеч от практическото приложение: необходимо е да се измисли как да се лети до черната дупка и да се постави нещо в нейната ергосфера, без да се пада извън хоризонта на събитията.
Прочетете още
Луната на Сатурн Титан е забележително подобна на Земята. Какви планове има човечеството за него?
Голям брой сиви китове започват да гладуват и да умират в Тихия океан
Една трета от оздравелите от COVID-19 се завръщат в болницата. Всеки осми - умира
Теорията на струните се основава на хипотезата, че всичкиелементарни частици и техните фундаментални взаимодействия възникват в резултат на вибрации и взаимодействия на ултрамикроскопични квантови струни на скали от порядъка на Планк с дължина 10−35 m