Co jsou černé díry a jak mohou pomoci lidstvu?

Typy černých děr

Existují čtyři typy černých děr podle jejich hmotnosti: hvězdné, střední,

supermasivní a miniaturní.Nejznámějším způsobem vzniku černé díry je smrt hvězd. Když hvězdy dosáhnou konce svého života, většina z nich bobtná, ztrácí hmotu a poté se ochladí, aby vytvořily bílé trpaslíky. Ale největší z těchto ohnivých těles, která jsou nejméně 10–20krát hmotnější než naše Slunce, je předurčeno stát se buď superhustými neutronovými hvězdami, nebo takzvanými černými dírami hvězdné hmoty.

Hvězdné černé díry - 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 hvězdných černých děr asupermasivní musí být ještě jedna - střední. V každém případě podle zákonů logiky. Neměly by existovat středně velké černé díry, které tvoří rozdíl mezi hvězdnými masovými černými dírami a supermasivními černými dírami? Tyto kosmické průměrné hmotnosti, které se mohou pohybovat od asi 100 do 1 milionu solárních hmot - i když se specifický rozsah liší v závislosti na tom, koho se ptáte - se nazývají černé díry se střední hmotou (IMBH). A zatímco astronomové našli několik přesvědčivých kandidátů IMBH roztroušených po celém vesmíru, otázka, zda skutečně existují, je stále nevyřešená. 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 to v roce 2009 našli vědciještě silnější důkazy o existenci středně velké černé díry. Tým, který se nachází asi 290 milionů světelných let od okraje galaxie ESO 243-49, pozoroval neuvěřitelně jasný rentgenový zdroj s názvem HLX-1 (hyper-světelný rentgenový zdroj číslo 1), který nemá optický protějšek. To naznačuje, že pozorovaný objekt není jen hvězda nebo galaxie. Vědci navíc zjistili, že rentgenový podpis HLX-1 se postupem času měnil, což naznačuje, že černá díra je jasnější pokaždé, když se k ní blíží blízká hvězda, čerpá plyn a způsobuje krátké záblesky rentgenových paprsků, které pak pomalu mizí. pryč. Na základě jasu pozorovaných erupcí vypočítali vědci minimální hmotnost černé díry na přibližně 500násobku hmotnosti Slunce, i když podle některých odhadů se její hmotnost blíží 20 000násobku hmotnosti 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 látky takové černé díry jeasi 1094 kg / m³ a možná maximální dosažitelná hmotnostní hustota. Fyziku na těchto stupnicích je třeba popsat dosud nevyvinutými teoriemi kvantové gravitace. Takový objekt je totožný s hypotetickou elementární částicou s (pravděpodobně) maximální možnou hmotou - 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 mohou být supermasivní černé dírysloučení stovek nebo tisíců malých černých děr. Velké plynové mraky mohou být také zodpovědné za jejich zhroucení a rychlý nárůst hmoty. Nebo je to zhroucení hvězdokupy, skupiny hvězd padajících k sobě. Supermasivní černé díry mohou vzniknout z velkých shluků temné hmoty. Je to látka, kterou můžeme pozorovat prostřednictvím jejího gravitačního působení na jiné objekty; nevíme však, z čeho je tmavá hmota vyrobena, protože nevyzařuje světlo a nelze ji přímo pozorovat.

Nová třída černých děr - „super supermasivní“ nebo 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 (nazývaný takéPenrose) teoreticky považuje černé díry za prostředek získávání energie. K takové extrakci může dojít, pokud rotační energie černé díry není umístěna uvnitř horizontu událostí, ale venku - v oblasti časoprostoru Kerr. V této ergosféře se jakákoli částice nutně pohybuje v lokomotivním režimu současně s rotujícím časoprostorem, tj. všechny objekty tam jsou na tom závislé. V tomto případě se kousek hmoty vstupující do ergosféry rozdělí na dvě části. Například hmota může být ve dvou částech, které jsou odděleny odpálením výbušniny nebo rakety, která odděluje poloviny od sebe. Hybnost dvou částí hmoty, když se oddělí, lze uspořádat tak, že jedna část unikne černé díře („unikne do nekonečna“) a druhá spadne za horizont události do černé díry. Při pečlivém umístění může unikající část hmoty mít větší hmotnou energii než ta původní a její klesající část přijímá negativní hmotnou energii. I když se hybnost udržuje, výsledkem je, že z tohoto procesu lze získat více energie, než se původně předpokládalo. Rozdíl navíc poskytuje samotná černá díra. Proces tedy vede k mírnému snížení momentu hybnosti černé díry, což odpovídá přenosu energie na hmotu. Ztracená hybnost 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