Arten von Schwarzen Löchern
Basierend auf ihrer Masse gibt es vier Arten von Schwarzen Löchern: stellare, mittlere und mittlere.
Schwarze Löcher mit stellarer Masse sind klein, aber tödlich
Die Milchstraße enthält ungefähr hundert Millionen SchwarzeLöcher, die durch den Zusammenbruch sehr massereicher Sterne entstanden sind. Jedes dieser stellaren Schwarzen Löcher wiegt etwa das Zehnfache unserer Sonne. Nur sehr wenige dieser Schwarzen Löcher befinden sich in unmittelbarer Nähe eines gewöhnlichen Sterns, der langsam in ein Schwarzes Loch übergeht. Wenn dieses Gas in Richtung des Schwarzen Lochs fällt, wird es durch starke Schwerkraft und Reibung erwärmt. In der Nähe eines Schwarzen Lochs erreicht Gas eine typische Temperatur von 10 Millionen Grad Celsius. Diese Röntgenquellen von Schwarzen Löchern sind in der gesamten Milchstraße sowie in nahe gelegenen Galaxien mithilfe von umlaufenden Röntgenobservatorien leicht zu beobachten.
Es ist bemerkenswert, dass jedes Schwarze Loch vollständigwird durch nur zwei Zahlen beschrieben, die seine Masse und Drehzahl bestimmen. Wir kennen nichts Einfacheres als ein Elementarteilchen wie ein Elektron. CFA-Wissenschaftler haben diese beiden grundlegenden Parameter - Masse und Spin - für über ein Dutzend stellare Schwarze Löcher gemessen und alle Aspekte dieser Schwarzen Löcher und ihrer Systeme untersucht.
Trotz seiner Allgegenwart im UniversumSchwarze Löcher bleiben äußerst mysteriöse Objekte. Wir brauchen eine Theorie der Quantengravitation, die Einsteins Relativitätstheorie von 1916 mit der Quantenmechanik von 1926 kombiniert. Eine solche Theorie existiert trotz jahrzehntelanger theoretischer Bemühungen von Physikern, die sich mit Stringtheorie und anderen befassen, nicht. Die Schaffung der Theorie der Quantengravitation wird zur Krone der Physik auf dem Niveau der Errungenschaften von Newton, Einstein und anderen Giganten.
Schwarzes Loch mittlerer Masse (IMBH) - In der Mitte stecken
Zwischen Klassen stellarer Schwarzer LöcherUnd supermassiv muss es noch eine weitere Zwischenstufe geben. Auf jeden Fall nach den Gesetzen der Logik. Sollte es nicht mittelgroße Schwarze Löcher geben, die den Unterschied zwischen Schwarzen Löchern mit Sternmasse und supermassereichen Schwarzen Löchern ausmachen? Diese kosmischen Durchschnittsmassen, die zwischen etwa 100 und 1 Million Sonnenmassen liegen können – der genaue Bereich hängt jedoch davon ab, wen man fragt – werden als Schwarze Löcher mittlerer Masse (IMBHs) bezeichnet. Und obwohl Astronomen mehrere überzeugende Kandidaten für IMBH gefunden haben, die über das ganze Universum verstreut sind, ist die Frage, ob sie tatsächlich existieren, immer noch ungeklärt. Allerdings beginnen sich die Beweise zu häufen.
Obwohl endgültiger ExistenznachweisIMBH ist nach wie vor schwer fassbar. Eine Reihe von Studien in den letzten Jahrzehnten enthüllte interessante Beweise für die Existenz dieser nicht sehr großen, nicht sehr kleinen Schwarzen Löcher.
Eine Illustration eines jungen Schwarzen Lochs, wie zwei entfernte staubfreie Quasare, die kürzlich vom Spitzer-Weltraumteleskop entdeckt wurden. (Mit freundlicher Genehmigung der NASA / JPL-Caltech)
Zum Beispiel im Jahr 2003 verwendeten ForscherDas XMM-Newton-Weltraumobservatorium der ESA identifiziert zwei starke, unterschiedliche Röntgenquellen in der nahe gelegenen Starburst-Galaxie NGC 1313. Weil Schwarze Löcher dazu neigen, Material zu verschlingen, das zu nahe kommt und hoch spuckt. -Energiestrahlung gehören sie zu den stärksten bekannten Quellen für Röntgenstrahlung. Durch die Identifizierung der Röntgenquellen in NGC 1313 und die Untersuchung, wie sie in regelmäßigen Abständen aufflammen, konnten die Forscher 2015 die Masse eines der vermeintlichen Schwarzen Löcher der Galaxie, bekannt als NGC 1313 X-1, begrenzen. Sie schätzen, dass dies etwa das 5.000-fache der Masse der Sonne ist, geben oder nehmen, was sie sicher in den Massenbereich eines Schwarzen Lochs mit mittlerer Masse bringt.
Ähnliches entdeckten Forscher im Jahr 2009noch stärkerer Beweis für die Existenz eines mittelgroßen Schwarzen Lochs. Etwa 290 Millionen Lichtjahre vom Rand der Galaxie ESO 243-49 entfernt beobachtete das Team eine unglaublich helle Röntgenquelle namens HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), zu der es kein optisches Gegenstück gibt. Dies deutet darauf hin, dass es sich bei dem beobachteten Objekt nicht nur um einen Stern oder eine Galaxie handelt. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass sich die Röntgensignatur von HLX-1 im Laufe der Zeit veränderte, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch jedes Mal heller wird, wenn sich ein naher Stern ihm nähert, Gas einspeist und kurze Röntgenstrahlenausbrüche verursacht, die dann langsam verblassen. weg. Basierend auf der Helligkeit der beobachteten Flares berechneten die Forscher, dass die Mindestmasse des Schwarzen Lochs etwa das 500-fache der Sonnenmasse beträgt, obwohl einige Schätzungen sein Gewicht eher auf 20.000 Sonnenmassen schätzen.
Derzeit GravitationswellendetektorenLIGO und Virgo haben sich zusammengetan, um 20 Schwarze Löcher mit Sternmasse zu entdecken, die sich zu Schwarzen Löchern mit Massen von 20 bis 80 Sonnenmassen zusammenschließen. Obwohl LIGO-Virgo keine BHs (mehr als 100 Sonnenmassen) nachgewiesen hat, sind die Forscher hinsichtlich ihrer zukünftigen Entdeckung optimistisch.
Planck Schwarzes Loch (Micro Schwarzes Loch)
Ein Planck-Schwarzes Loch ist ein hypothetisches Schwarzes Loch mit der kleinstmöglichen Masse, die der Planck-Masse entspricht.
Die Materiedichte eines solchen Schwarzen Lochs beträgtca. 1094 kg/m³ und ist vermutlich die maximal erreichbare Massendichte. Physik auf solchen Skalen muss durch Theorien der Quantengravitation beschrieben werden, die noch nicht entwickelt wurden. Ein solches Objekt ist identisch mit einem hypothetischen Elementarteilchen mit (vermutlich) der maximal möglichen Masse – einem Maximon.
Planck Schwarze Löcher zeichnen sich durch extrem auskleiner Querschnitt der Wechselwirkung. Die Kleinheit des Querschnitts für die Wechselwirkung neutraler Maxima mit Materie führt dazu, dass ein wesentlicher (oder sogar der Haupt-) Teil der Materie im Universum gegenwärtig aus Maxima bestehen könnte, ohne dass dies zu einem Widerspruch zu Beobachtungen führt. Insbesondere könnten Maxima die Rolle der unsichtbaren Materie (Dunkle Materie) spielen, deren Existenz derzeit in der Kosmologie anerkannt ist.
Supermassive Schwarze Löcher - die Geburt von Riesen
Kleine Schwarze Löcher bewohnen das Universum, aber ihreCousins, supermassereiche Schwarze Löcher, dominieren. Diese riesigen Schwarzen Löcher sind Millionen oder sogar Milliarden Mal massereicher als die Sonne, haben aber ungefähr den gleichen Durchmesser. Es wird angenommen, dass sich solche Schwarzen Löcher im Zentrum praktisch jeder Galaxie befinden, einschließlich der Milchstraße.
Wissenschaftler sind sich nicht sicher, wie groß sie sindSchwarze Löcher. Sobald sich diese Riesen gebildet haben, sammeln sie eine Menge Staub und Gas um sich herum, ein Material, das im Zentrum von Galaxien reichlich vorhanden ist, sodass sie noch größer werden können.
Supermassereiche Schwarze Löcher könnten die Folge seinVerschmelzungen von Hunderten oder Tausenden winziger Schwarzer Löcher. Auch große Gaswolken könnten für deren Zusammenbruch und schnelle Massenzunahme verantwortlich sein. Oder handelt es sich um den Zusammenbruch eines Sternhaufens, einer Gruppe von Sternen, die zusammenfallen. Supermassereiche Schwarze Löcher können aus großen Ansammlungen dunkler Materie entstehen. Dies ist eine Substanz, die wir durch ihre Gravitationswirkung auf andere Objekte beobachten können; Allerdings wissen wir nicht, woraus dunkle Materie besteht, da sie kein Licht aussendet und nicht direkt beobachtet werden kann.
Eine neue Klasse von Schwarzen Löchern – „super-supermassive“ oder riesige Schwarze Löcher
Wie wir bereits wissen, enthält unser Universumriesige schwarze Löcher. Das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie hat eine Masse von 4 Millionen Sonnen, ist aber ziemlich klein, wie galaktische Schwarze Löcher. Viele galaktische Schwarze Löcher haben eine Masse von einer Milliarde Sonnenmassen, und die Masse des massereichsten bekannten Schwarzen Lochs wird auf etwa 70 Milliarden Sonnen geschätzt. Aber wie groß kann ein Schwarzes Loch sein?
Um das Schwarze Loch wirklich massiv zu machenSie muss zu Beginn ihres Lebens eine große Menge der Substanz aufnehmen. Wenn es langsam Materie verbraucht, fällt die umgebende Galaxie zusammen und das Universum dehnt sich aus, so dass das Schwarze Loch nicht mehr viel Materie einfangen kann. Wenn ein Schwarzes Loch jedoch schnell eine große Menge an Materie verschlingt, wird die Materie sehr heiß und neigt dazu, andere Materie abzustoßen, was das Wachstum des Schwarzen Lochs erschwert.
Basierend auf Beobachtungen der größten SchwarzenLöcher und Computersimulationen der Bildung von Schwarzen Löchern wird angenommen, dass die Obergrenze der Masse der galaktischen Schwarzen Löcher etwa 100 Milliarden Sonnenmassen beträgt. Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Massengrenze viel höher sein könnte.
In der Arbeit von Wissenschaftlern wird festgestellt, dass, obwohlGalaktische Schwarze Löcher haben wahrscheinlich eine Sonnenmassengrenze von Hunderten von Milliarden, größere Schwarze Löcher haben sich möglicherweise in den frühen Stadien des Universums unabhängig voneinander gebildet. Diese ursprünglichen Schwarzen Löcher können mehr als eine Million Mal so groß sein wie die Masse der größten galaktischen Schwarzen Löcher. Das Forschungsteam nennt sie unglaublich große Schwarze Löcher oder SLABs (erstaunlich große Schwarze Löcher).
Die Idee der ursprünglichen Schwarzen Löcher gibt es schon lange.Sie wurden als Lösung für alles vorgeschlagen, von dunkler Materie bis hin zu der Frage, warum wir noch keinen hypothetischen neunten Planeten in unserem Sonnensystem entdeckt haben. Theoretische Modelle legen jedoch nahe, dass ursprüngliche Schwarze Löcher viel kleiner sind als selbst Schwarze Löcher mit Sternmasse, die aus winzigen Dichteschwankungen im frühen Universum gebildet werden. Diese neue Studie legt jedoch nahe, dass dunkle Materie und andere Faktoren bei einigen von ihnen ein kolossales Wachstum verursachen könnten.
Wenn das frühe Universum reich an Dunkelheit wäreMaterie, insbesondere eine Form dunkler Materie, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMP) bekannt ist, dann könnte das ursprüngliche Schwarze Loch dunkle Materie verbrauchen, um schnell zu wachsen. Da dunkle Materie nicht stark mit Licht interagiert, gibt eingeschlossene dunkle Materie nicht viel Licht oder Wärme ab, um ihre Wachstumsrate zu verlangsamen. Infolgedessen könnten diese schwarzen Löcher riesig gewesen sein, noch bevor sich das Universum abgekühlt und Galaxien gebildet hatten. Die obere Massengrenze für SLAB hängt davon ab, wie die dunkle Materie des WIMP mit sich selbst interagiert. Wenn wir also SLABs erkennen, kann dies uns helfen, die dunkle Materie zu verstehen.
Wie kann die Menschheit Schwarze Löcher benutzen?
Die Relativitätstheorie sagt dies vorausrotierende Schwarze Löcher können als Energiequellen verwendet werden. Im Jahr 1969 beschrieb Roger Penrose einen Prozess, um dies zu tun. Um die rotierenden Schwarzen Löcher herum befindet sich eine Ergosphäre - die Region, die dem Ereignishorizont vorausgeht. Alle Körper in der Ergosphäre drehen sich mit dem Schwarzen Loch.
Penrose-Prozess (auch Mechanismus genannt).Penrose) betrachtet Schwarze Löcher theoretisch als Mittel zur Energiegewinnung. Eine solche Extraktion kann erfolgen, wenn die Rotationsenergie des Schwarzen Lochs nicht innerhalb des Ereignishorizonts liegt, sondern außerhalb – im Bereich der Kerr-Raumzeit. In dieser Ergosphäre bewegt sich jedes Teilchen notwendigerweise im Lokomotivmodus gleichzeitig mit der rotierenden Raumzeit, d. h. alle Gegenstände darin werden davon weggetragen. In diesem Fall wird ein in die Ergosphäre gelangendes Materiestück in zwei Teile gespalten. Beispielsweise kann Materie aus zwei Teilen bestehen, die durch das Abfeuern eines Sprengstoffs oder einer Rakete, die ihre Hälften auseinanderdrückt, getrennt werden. Der Impuls zweier Materieteile bei ihrer Trennung kann so angeordnet werden, dass ein Teil aus dem Schwarzen Loch entweicht (es „entweicht in die Unendlichkeit“) und der andere über den Ereignishorizont hinaus in das Schwarze Loch fällt. Bei sorgfältiger Platzierung kann der austretende Teil der Materie eine größere Massenenergie haben als der ursprüngliche, während der fallende Teil negative Massenenergie erhält. Obwohl die Dynamik erhalten bleibt, kann aus diesem Prozess mehr Energie gewonnen werden als ursprünglich vorgesehen. Darüber hinaus wird der Unterschied durch das Schwarze Loch selbst verursacht. Der Prozess führt also zu einer leichten Abnahme des Drehimpulses des Schwarzen Lochs, was einer Energieübertragung auf Materie entspricht. Der verlorene Impuls wird wiederum in entzogene Energie umgewandelt.
Der Penrose-Prozess weist auf die Möglichkeit hinEnergie aus einem Schwarzen Loch zu gewinnen, aber es ist keine gute praktische Methode. Für seine Implementierung ist es notwendig, dass zwei neugeborene Partikel eine Geschwindigkeit haben, die die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Die erwartete Häufigkeit solcher Ereignisse ist so selten, dass keine signifikante Energiemenge gewonnen werden kann.
Daher suchen Wissenschaftler aktiv nach anderen Mechanismen.Zum Beispiel zeigte Stephen Hawking, dass Schwarze Löcher durch Wärmestrahlung Energie freisetzen können. Eine andere Möglichkeit, Energie zu gewinnen, ist der Blanford-Znaek-Prozess, der auf elektromagnetischen Wechselwirkungen basiert.
Luca Comisso von der Columbia University und Felipe A. Asenjo von der Adolfo Ibanez University beschreiben in ihrem Artikel eine weitere Alternative zum Penrose-Prozess.
Schwarze Löcher sind von heißem Plasma und Partikeln umgebendie ein Magnetfeld haben. Die Grundlage eines neuen Mechanismus zur Energiegewinnung aus rotierenden Schwarzen Löchern ist die Wiederverbindung von Magnetfeldlinien innerhalb der Ergosphäre. In diesem Fall sollte sich das Schwarze Loch in einem externen Magnetfeld befinden, einen großen Spin (a ~ 1) und das umgebende Plasma mit starker Magnetisierung aufweisen. Die notwendigen Eigenschaften besitzen beispielsweise Schwarze Löcher, die durch lange und kurze Gammastrahlenausbrüche und supermassive Schwarze Löcher in aktiven galaktischen Kernen entstehen.
Die magnetische Wiederverbindung beschleunigt einen Teil des Plasmas indie Drehrichtung des Lochs. Der andere Teil beschleunigt in die entgegengesetzte Richtung und fällt über den Ereignishorizont hinaus. Die Energiefreisetzung erfolgt wie beim Penrose-Mechanismus, wenn das absorbierte Plasma negative Energie aufweist und das beschleunigte aus der Ergosphäre „entweicht“. Der Unterschied besteht darin, dass die Bildung von Partikeln mit negativer Energie die Ableitung der Energie des Magnetfelds erfordert. Bei dem von Penrose beschriebenen Prozess spielt nur die Trägheit der Partikel eine Rolle.
Wie Wissenschaftler sagen, beträgt die Effizienz des beschriebenen Prozesses 150Prozent. Dies bedeutet, dass Sie mit dem Prozess eineinhalb Mal mehr Energie erhalten, als Sie für die Implementierung benötigen. Ein Wirkungsgrad von mehr als 100 Prozent ist möglich, da aus der Ergosphäre freigesetzte Plasmapartikel die Energie des Schwarzen Lochs abführen. Die Entdeckung eines neuen Mechanismus zur Energiegewinnung aus Schwarzen Löchern ermöglicht es Astronomen, ihren Rotationsimpuls besser abzuschätzen und zu verstehen, wie sie Energie ausstrahlen. Die Entdeckung ist noch weit von der praktischen Anwendung entfernt: Es ist notwendig herauszufinden, wie man zum Schwarzen Loch fliegt und etwas in seine Ergosphäre bringt, ohne über den Ereignishorizont hinauszufallen.
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