Typy černých děr
Existují čtyři typy černých děr na základě jejich hmotnosti: hvězdné, střední,
Černé díry hvězdných hmotností jsou malé, ale smrtící
Mléčná dráha obsahuje asi sto milionů černédíry, které vznikly v důsledku zhroucení velmi hmotných hvězd. Každá z těchto hvězdných černých děr váží asi 10krát více než naše Slunce. Velmi málo z těchto černých děr je v těsné blízkosti obyčejné hvězdy, která se pomalu přelévá do černé díry. Když tento plyn klesá k černé díře, je zahříván silnou gravitací a třením. V blízkosti černé díry dosahuje plyn typické teploty 10 milionů stupňů Celsia. Tyto rentgenové zdroje z černých děr lze snadno pozorovat po celé Mléčné dráze i v blízkých galaxiích pomocí oběžných rentgenových observatoří.
Je pozoruhodné, že každá černá díra úplněje popsán pouze dvěma čísly, která určují jeho hmotnost a rychlost otáčení. Neznáme nic jednoduššího než elementární částice, jako je elektron. Vědci z CFA změřili oba tyto základní parametry - hmotu a spin - pro více než tucet hvězdných černých děr a studovali všechny aspekty těchto černých děr a jejich systémů.
Navzdory všudypřítomnosti ve vesmíručerné díry zůstávají extrémně tajemnými objekty. Potřebujeme teorii kvantové gravitace, která bude kombinovat Einsteinovu teorii relativity z roku 1916 s teorií kvantové mechaniky z roku 1926. Taková teorie neexistuje, navzdory desetiletím teoretického úsilí fyziků studujících teorii strun a dalších. Vytvoření teorie kvantové gravitace se stane korunou fyziky na stejné úrovni jako úspěchy Newtona, Einsteina a dalších gigantů.
Středně velká černá díra (IMBH) - zaseknutá uprostřed
Mezi třídami černých děr hvězdné velikostiA supermasivní tam musí být ještě jeden mezilehlý. V každém případě podle zákonů logiky. Neměly by existovat středně velké černé díry, které dělají rozdíl mezi černými dírami o hvězdné hmotnosti a supermasivními černými dírami? Tyto průměrné kosmické hmotnosti, které se mohou pohybovat od asi 100 do 1 milionu hmotností Slunce – ačkoli přesný rozsah se liší v závislosti na tom, koho se ptáte – se nazývají středně hmotné černé díry, IMBHs). A přestože astronomové našli několik přesvědčivých kandidátů na IMBH roztroušených po celém vesmíru, otázka, zda skutečně existují, stále není vyřešena. Důkazy se však začínají hromadit.
I když definitivní důkaz o existenciIMBH zůstává nepolapitelný a řada studií za posledních několik desetiletí odhalila zajímavé důkazy naznačující existenci těchto ne příliš velkých, ne příliš malých černých děr.
Ilustrace mladé černé díry, jako jsou dva vzdálené bezprašné kvasary, které nedávno objevil Spitzer Space Telescope. (Obrázek s laskavým svolením NASA / JPL-Caltech)
Například v roce 2003 vědci použiliVesmírná observatoř ESM XMM-Newton Space Observatory k identifikaci dvou silných, zřetelných rentgenových zdrojů v blízké galaxii s hvězdným výbuchem NGC 1313. Protože černé díry mají tendenci násilně pohltit materiál, který se příliš blíží a chrlí vysoko. - energetické záření, patří k nejsilnějším známým zdrojům rentgenového záření. Identifikací zdrojů rentgenového záření v NGC 1313 a studiem jejich pravidelného vzplanutí byli vědci v roce 2015 schopni omezit hmotnost jedné z předpokládaných černých děr galaxie známých jako NGC 1313 X-1. Odhadují, že se jedná o asi 5 000násobek hmotnosti Slunce, který dáváme nebo bereme, což jej s jistotou staví do hmotnostního rozsahu černé hmoty s mezilehlou hmotou.
Podobně v roce 2009 výzkumníci objeviliještě silnější důkaz pro existenci středně velké černé díry. Tým, který se nachází přibližně 290 milionů světelných let od okraje galaxie ESO 243-49, pozoroval neuvěřitelně jasný zdroj rentgenového záření nazvaný HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), který nemá žádný optický protějšek. To naznačuje, že pozorovaný objekt není jen hvězda nebo galaxie. Kromě toho vědci zjistili, že rentgenová signatura HLX-1 se v průběhu času měnila, což naznačuje, že černá díra je jasnější pokaždé, když se k ní přiblíží blízká hvězda, dodává plyn a způsobuje krátké záblesky rentgenového záření, které pak pomalu mizí. pryč. Na základě jasnosti pozorovaných záblesků vědci vypočítali minimální hmotnost černé díry na asi 500násobek hmotnosti Slunce, ačkoli některé odhady přibližují její hmotnost 20 000 hmotnostem Slunce.
V současné době detektory gravitačních vlnLIGO a Panna se spojily a objevily 20 hvězdných hmotných černých děr, které se spojily a vytvořily černé díry s hmotami 20 až 80 hmotností Slunce. Ačkoli společnost LIGO-Virgo nezjistila žádné BH (více než 100 hmotností Slunce), vědci jsou ohledně jejich detekce v budoucnosti optimističtí.
Planckova černá díra (mikro černá díra)
Planckova černá díra je hypotetická černá díra s nejmenší možnou hmotností, která se rovná Planckově hmotnosti.
Hustota hmoty takové černé díry jeasi 1094 kg/m³ a je to pravděpodobně maximální dosažitelná hustota hmoty. Fyzika v takových měřítcích musí být popsána teoriemi kvantové gravitace, které ještě nebyly vyvinuty. Takový objekt je identický s hypotetickou elementární částicí s (pravděpodobně) maximální možnou hmotností – maximonem.
Planckovy černé díry se vyznačují extrémněmalý průřez interakce. Malý průřez pro interakci neutrálních maximonů s hmotou vede k tomu, že významná (nebo dokonce hlavní) část hmoty ve vesmíru v současné době může sestávat z maximonů, aniž by to vedlo k rozporu s pozorováním. Zejména maximony mohly hrát roli neviditelné hmoty (temné hmoty), jejíž existence je v současné době v kosmologii uznávána.
Supermasivní černé díry - narození obrů
Vesmír obývají malé černé díry, ale jejichdominují bratranci, supermasivní černé díry. Tyto obrovské černé díry jsou miliony nebo dokonce miliardykrát hmotnější než Slunce, ale mají přibližně stejnou velikost v průměru. Předpokládá se, že takové černé díry se nacházejí ve středu téměř každé galaxie, včetně Mléčné dráhy.
Vědci si nejsou jisti, jak velkáčerné díry. Jakmile se tito obři zformovali, shromáždili kolem sebe hromadu prachu a plynu, materiál hojný ve středu galaxií, což jim umožnilo růst do ještě větších rozměrů.
Výsledkem by mohly být supermasivní černé dírysloučení stovek nebo tisíců malých černých děr. Velká plynová oblaka mohou být zodpovědná i za jejich kolaps a rychlý nárůst hmoty. Nebo je to kolaps hvězdokupy, skupiny hvězd padajících k sobě. Supermasivní černé díry mohou vzniknout z velkého nahromadění temné hmoty. Jedná se o látku, kterou můžeme pozorovat prostřednictvím jejího gravitačního působení na jiné objekty; nicméně nevíme, z čeho se skládá temná hmota, protože nevyzařuje světlo a nelze ji přímo pozorovat.
Nová třída černých děr – „super-supermasivní“ neboli obrovské černé díry
Jak tedy víme, náš vesmír obsahujeobrovské černé díry. Supermasivní černá díra ve středu naší galaxie má hmotnost 4 miliony Sluncí, ale je docela malá, jako galaktické černé díry. Mnoho galaktických černých děr má hmotnost jedné miliardy hmotností Slunce a hmotnost nejmohutnější známé černé díry se odhaduje na asi 70 miliard Sluncí. Jak velká ale může být černá díra?
Aby byla černá díra opravdu masivnína začátku svého života musí absorbovat velké množství látky. Pokud pomalu spotřebovává hmotu, pak okolní galaxie zapadne na místo a vesmír se rozšíří, takže černá díra nemůže zachytit mnohem více hmoty. Ale když černá díra rychle pohltí velké množství hmoty, hmota se velmi zahřeje a má sklon odpuzovat jinou hmotu, což ztěžuje její růst.
Na základě pozorování největších černochůdíry a počítačové simulace vzniku černých děr, předpokládá se, že horní hranice hmotnosti galaktických černých děr je asi 100 miliard hmotností Slunce. Nový výzkum však naznačuje, že hmotnostní limit by mohl být mnohem vyšší.
V práci vědců je třeba poznamenat, že ačkoligalaktické černé díry pravděpodobně mají solární hmotnostní limit stovek miliard, větší černé díry se mohly tvořit nezávisle v počátečních fázích vesmíru. Tyto prvotní černé díry mohou být více než milionkrát větší než největší galaktické černé díry. Výzkumný tým jim říká neuvěřitelně velké černé díry nebo SLAB (úžasně velké černé díry).
Myšlenka prvotních černých děr existuje už dlouho.Byly navrženy jako řešení všeho od temné hmoty až po to, proč jsme dosud neobjevili hypotetickou devátou planetu v naší sluneční soustavě. Teoretické modely však naznačují, že prvotní černé díry by byly mnohem menší než dokonce černé díry hvězdné hmoty vytvořené z malých fluktuací hustoty v časném vesmíru. Ale tato nová studie naznačuje, že temná hmota a další faktory mohou u některých z nich způsobit kolosální růst.
Pokud byl raný vesmír bohatý na temnotuhmota, zejména forma temné hmoty známá jako slabě interagující masivní částice (WIMP), pak mohla pravěká černá díra spotřebovat temnou hmotu k rychlému růstu. Jelikož temná hmota silně neinteraguje se světlem, uvězněná temná hmota nebude emitovat mnoho světla ani tepla, aby zpomalila svůj růst. Výsledkem bylo, že tyto černé díry mohly být obrovské ještě předtím, než se vesmír ochladil a vytvořily se galaxie. Horní hmotnostní limit pro SLAB bude záviset na tom, jak tmavá hmota WIMP interaguje sama se sebou, takže pokud zjistíme jakékoli SLAB, mohlo by nám to pomoci pochopit temnou hmotu.
Jak může lidstvo využívat černé díry?
Teorie relativity to předpovídárotující černé díry lze použít jako zdroje energie. V roce 1969 popsal Roger Penrose postup, jak toho dosáhnout. Kolem rotujících černých děr je ergosféra - oblast, která předchází horizontu událostí. Všechna těla v ergosféře se otáčejí s černou dírou.
Penrosův proces (také nazývaný mechanismusPenrose) teoreticky pohlíží na černé díry jako na prostředek k získávání energie. K takové extrakci může dojít, pokud se rotační energie černé díry nenachází uvnitř horizontu událostí, ale mimo – v oblasti Kerrova časoprostoru. V této ergosféře se jakákoli částice nutně pohybuje v režimu lokomotivy současně s rotujícím časoprostorem, tzn. všechny předměty, které tam jsou, jsou jím unášeny. V tomto případě je kus hmoty vstupující do ergosféry rozdělen na dvě části. Hmota se například může skládat ze dvou částí, které jsou odděleny odpálením výbušniny nebo střely, která od sebe odtlačí její poloviny. Hybnost dvou kusů hmoty při jejich oddělování lze uspořádat tak, že jeden kus z černé díry unikne ("uteče do nekonečna") a druhý spadne za horizont událostí do černé díry. Při pečlivém umístění může mít unikající část hmoty větší hmotovou energii než ta původní, zatímco její padající část dostává zápornou hmotnou energii. I když je hybnost zachována, výsledkem je, že z tohoto procesu lze získat více energie, než bylo původně zamýšleno. Rozdíl navíc poskytuje samotná černá díra. Proces tak vede k mírnému snížení momentu hybnosti černé díry, což odpovídá přenosu energie do hmoty. Ztracený impuls se zase přemění na extrahovanou energii.
Penrosův proces naznačuje možnostzískávání energie z černé díry, ale není to dobrá praktická metoda. Pro jeho implementaci je nutné, aby dvě novorozené částice měly rychlost přesahující poloviční rychlost světla. Očekávaná frekvence takových událostí je tak vzácná, že neumožňuje získat významné množství energie.
Vědci proto aktivně hledají další mechanismy.Například Stephen Hawking ukázal, že černé díry mohou uvolňovat energii prostřednictvím tepelného záření. Dalším způsobem, jak extrahovat energii, je proces Blanford-Znaek založený na elektromagnetické interakci.
Luca Comisso z Columbia University a Felipe A. Asenjo z Adolfo Ibanez University ve svém článku popisují další alternativu k Penrosovu procesu.
Černé díry jsou obklopeny horkou plazmou, částicemikteré mají magnetické pole. Základem nového mechanismu pro získávání energie z rotujících černých děr je opětovné připojení čar magnetického pole uvnitř ergosféry. V tomto případě by černá díra měla být ve vnějším magnetickém poli, měla by mít velkou rotaci (a ~ 1) a okolní plazmu se silnou magnetizací. Potřebné vlastnosti mají například černé díry vytvořené v důsledku dlouhých a krátkých záblesků gama záření a supermasivních černých děr v aktivních galaktických jádrech.
Magnetické opětovné připojení urychluje část plazmysměr otáčení otvoru. Druhá část zrychluje v opačném směru a spadá za horizont událostí. Uvolňování energie, stejně jako v Penrosově mechanismu, nastává, pokud má absorbovaná plazma negativní energii a ta zrychlená „uniká“ z ergosféry. Rozdíl je v tom, že tvorba částic se zápornou energií vyžaduje rozptýlení energie magnetického pole. V procesu popsaném Penrosem hraje roli pouze setrvačnost částic.
Jak říkají vědci, účinnost popsaného procesu je 150procent. To znamená, že tento proces vám umožní získat jeden a půlkrát více energie, než kolik musíte vynaložit na jeho implementaci. Dosažení účinnosti více než 100 procent je možné, protože plazmové částice uvolněné z ergosféry odvádějí energii černé díry. Objev nového mechanismu pro získávání energie z černých děr umožní astronomům lépe odhadnout jejich rotační moment a pochopit, jak vyzařují energii. Objev má ještě daleko od praktické aplikace: je nutné přijít na to, jak letět do černé díry a umístit něco do její ergosféry, aniž by spadl za horizont události.
Přečtěte si více
Saturnův měsíc Titan je pozoruhodně podobný Zemi. Jaké plány s tím lidstvo má?
Velké množství šedých velryb začíná v Pacifiku hladovět a umírat
Třetina z těch, kteří se vzpamatovali z COVID-19, se vrací do nemocnice. Každý osmý - umírá
Teorie strun je založena na hypotéze, že všechnyelementární částice a jejich základní interakce vznikají v důsledku vibrací a interakcí ultramikroskopických kvantových řetězců na stupnicích řádu Planckovy délky 10–35 m