Mustien aukkojen tyypit
Mustia aukkoja on neljää tyyppiä niiden massan perusteella: tähti-, väli-,
Tähtimassaiset mustat aukot ovat pieniä, mutta tappavia
Linnunrata sisältää noin sata miljoonaa mustaareikiä, jotka muodostuivat erittäin massiivisten tähtien romahtamisen seurauksena. Jokainen näistä tähtien mustista aukoista painaa noin 10 kertaa aurinkomme. Hyvin harvat näistä mustista aukoista ovat lähellä tavallista tähtiä, joka vuotaa hitaasti mustaan aukkoon. Kun tämä kaasu putoaa kohti mustaa aukkoa, sitä kuumenee voimakas painovoima ja kitka. Lähellä mustaa aukkoa kaasu saavuttaa tyypillisen 10 miljoonan celsiusasteen lämpötilan. Näitä mustista aukoista tulevia röntgensäteilylähteitä on helppo havaita ympäri Linnunradaa, samoin kuin läheisissä galakseissa, kiertävien röntgentutkimusasemien avulla.
On huomionarvoista, että kaikki mustat aukot kokonaanon kuvattu vain kahdella numerolla, jotka määrittävät sen massan ja pyörimisnopeuden. Emme tiedä mitään yksinkertaisempaa kuin alkupartikkeli, kuten elektroni. CFA-tutkijat ovat mitanneet molemmat näistä perusparametreista - massan ja pyörimisnopeuden - yli tusinan tähtien mustille aukoille tutkien näiden mustien aukkojen ja niiden järjestelmien kaikkia näkökohtia.
Huolimatta läsnäolostaan maailmankaikkeudessa,mustat aukot ovat edelleen erittäin salaperäisiä esineitä. Tarvitsemme kvanttigravitaation teorian, joka yhdistää Einsteinin vuoden 1916 suhteellisuusteorian ja vuoden 1926 kvanttimekaniikan teorian. Tällaista teoriaa ei ole olemassa, vaikka kieliteoriaa tutkivat fyysikot ja muutkin ovat tutkineet vuosikymmeniä teoreettisesti. Kvanttigravitaation teorian luomisesta tulee fysiikan kruunu Newtonin, Einsteinin ja muiden jättiläisten saavutusten kanssa.
Medium Mass Black Hole (IMBH) - jumissa keskellä
Tähtien suuruusluokan mustien aukkojen luokkien välilläJa supermassiivinen, täytyy olla vielä yksi välimuoto. Joka tapauksessa logiikan lakien mukaan. Eikö siellä pitäisi olla keskikokoisia mustia aukkoja, jotka tekevät eron tähtimassaisten mustien aukkojen ja supermassiivisten mustien aukkojen välillä? Näitä kosmisia keskimääräisiä massoja, jotka voivat vaihdella noin 100 - 1 miljoonan auringon massan välillä – vaikka tarkka alue vaihteleekin sen mukaan, keneltä kysyt – kutsutaan keskimassaisiksi mustiksi aukoiksi, IMBH:iksi. Ja vaikka tähtitieteilijät ovat löytäneet useita vakuuttavia ehdokkaita IMBH:lle hajallaan eri puolilla universumia, kysymys niiden olemassaolosta on edelleen ratkaisematta. Todisteita alkaa kuitenkin kertyä.
Vaikka lopullinen todiste olemassaolostaIMBH on edelleen vaikeasti ymmärrettävä, ja viime vuosikymmenien aikana on tehty useita tutkimuksia, joissa on paljastettu kiehtovia todisteita, jotka viittaavat näiden ei kovin suurten, ei kovin pienten mustien aukkojen olemassaoloon.
Kuva nuoresta mustasta aukosta, kuten kaksi kaukaa pölytöntä kvasaria, jotka Spitzer-avaruusteleskooppi löysi äskettäin. (Kuva: NASA / JPL-Caltech)
Esimerkiksi vuonna 2003 tutkijat käyttivätESA: n XMM-Newton-avaruusobservatorio tunnistaa kaksi vahvaa, erillistä röntgensäteilylähdettä läheisessä tähtipurkausgalaksissa NGC 1313. Koska mustat aukot syövät voimakkaasti materiaalia, joka tulee liian lähelle ja korkeaan. -energiasäteily, ne ovat vahvimpia tunnettuja röntgensäteilyn lähteitä. Tunnistamalla röntgensäteiden lähteet NGC 1313: ssa ja tutkimalla niiden syttymistä säännöllisesti, vuonna 2015 tutkijat pystyivät rajoittamaan NGC 1313 X-1 -nimisen galaksin yhden oletetun mustan aukon massaa. He arvioivat, että tämä on noin 5000 kertaa Auringon massa, anna tai ota, mikä asettaa sen luottavaisesti välimassan mustan aukon massa-alueelle.
Vastaavasti tutkijat havaitsivat vuonna 2009vielä vahvempia todisteita keskikokoisen mustan aukon olemassaolosta. Noin 290 miljoonan valovuoden päässä galaksin ESO 243-49 reunasta sijaitseva tiimi havaitsi uskomattoman kirkkaan röntgensädelähteen nimeltä HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), jolla ei ole optista vastinetta. Tämä viittaa siihen, että havaittu kohde ei ole vain tähti tai galaksi. Lisäksi tutkijat havaitsivat, että HLX-1:n röntgensäteen tunnus muuttui ajan myötä, mikä viittaa siihen, että musta aukko kirkastuu joka kerta, kun lähellä oleva tähti tulee lähemmäksi sitä, syöttäen kaasua ja aiheuttaen lyhyitä röntgensäteitä, jotka sitten hiipuvat hitaasti. pois. Havaittujen soihdutusten kirkkauden perusteella tutkijat laskivat mustan aukon vähimmäismassaksi noin 500 kertaa Auringon massaa, vaikka joidenkin arvioiden mukaan sen paino on lähempänä 20 000 auringon massaa.
Tällä hetkellä gravitaatioaaltoilmaisimetLIGO ja Neitsyt ovat yhdessä löytäneet 20 tähtimassan mustaa aukkoa, jotka sulautuvat muodostamaan mustia aukkoja, joiden massa on 20-80 aurinkomassaa. Vaikka LIGO-Virgo ei ole havainnut yhtään BH: ta (yli 100 aurinkomassaa), tutkijat ovat optimistisia niiden havaitsemiseen tulevaisuudessa.
Planckin musta aukko (mikromusta aukko)
Planckin musta aukko on hypoteettinen musta aukko, jolla on pienin mahdollinen massa, joka on yhtä suuri kuin Planckin massa.
Tällaisen mustan aukon aineen tiheys onnoin 1094 kg/m³ ja on luultavasti suurin saavutettavissa oleva massatiheys. Fysiikka tällaisissa mittakaavassa on kuvattava kvanttigravitaation teorioilla, joita ei ole vielä kehitetty. Tällainen esine on identtinen hypoteettisen alkuainehiukkasen kanssa, jolla on (oletettavasti) suurin mahdollinen massa – maksimoni.
Planckin mustille aukoille on ominaista äärimmäisenpieni poikkileikkaus vuorovaikutuksesta. Poikkileikkauksen pienyys neutraalien maksimien ja aineen vuorovaikutuksessa johtaa siihen, että merkittävä (tai jopa pääosa) aineksesta maailmankaikkeudessa voisi tällä hetkellä koostua maksimoneista ilman, että se johtaisi ristiriitaan havaintojen kanssa. Erityisesti maximonit voisivat olla näkymätön aine (pimeä aine), jonka olemassaolo tunnetaan tällä hetkellä kosmologiassa.
Supermassiiviset mustat aukot - jättiläisten syntymä
Pienet mustat aukot elävät maailmankaikkeudessa, mutta neserkut, supermassiiviset mustat aukot, hallitsevat. Nämä valtavat mustat aukot ovat miljoonia tai jopa miljardeja kertoja massiivisempia kuin Aurinko, mutta halkaisijaltaan suunnilleen saman kokoiset. Tällaisten mustien aukkojen uskotaan olevan melkein jokaisen galaksin, myös Linnunradan, keskellä.
Tutkijat eivät ole varma kuinka suurimustat aukot. Kun nämä jättiläiset ovat muodostuneet, ne keräävät ympärilleen pöly- ja kaasumassan, joka on runsaasti galaksien keskellä olevaa materiaalia, jolloin ne voivat kasvaa vielä suuremmiksi.
Seurauksena voi olla supermassiiviset mustat aukotsatojen tai tuhansien pienten mustien aukkojen fuusiot. Suuret kaasupilvet voivat myös olla vastuussa niiden romahtamisesta ja nopeasta massan kasvusta. Vai onko se tähtijoukon romahtaminen, tähtiryhmän putoaminen yhteen. Supermassiivisia mustia aukkoja voi syntyä suurista pimeän aineen kerääntymistä. Tämä on aine, jota voimme tarkkailla sen painovoimavaikutuksen kautta muihin esineisiin; Emme kuitenkaan tiedä, mistä pimeä aine on tehty, koska se ei säteile valoa eikä sitä voida suoraan tarkkailla.
Uusi mustien aukkojen luokka – "supermassiiviset" tai suuret mustat aukot
Joten, kuten jo tiedämme, maailmankaikkeumme sisältäävaltavia mustia aukkoja. Galaksimme keskellä olevan supermassiivisen mustan aukon massa on 4 miljoonaa aurinkoa, mutta se on melko pieni, kuten galaktiset mustat aukot. Monien galaktisten mustien aukkojen massa on miljardi aurinkomassaa, ja tunnetuimman mustan aukon massan arvioidaan olevan noin 70 miljardia aurinkoa. Mutta kuinka suuri musta aukko voi olla?
Jotta musta aukko olisi todella massiivinenhänen on imettävä suuri määrä ainetta elämänsä alussa. Jos se kuluttaa hitaasti ainetta, ympäröivä galaksi putoaa paikoilleen ja maailmankaikkeus laajenee, niin että musta aukko ei pysty sieppaamaan paljon muuta ainetta. Mutta kun musta aukko nielaisee nopeasti suuren määrän ainetta, asia kuumenee hyvin ja pyrkii torjumaan muita aineita, mikä vaikeuttaa mustan aukon kasvua.
Suurimpien mustien havaintojen perusteellareikien ja tietokonesimulaatioiden avulla mustien aukkojen muodostumisesta, uskotaan, että galaktisten mustien aukkojen massan yläraja on noin 100 miljardia aurinkomassaa. Mutta uudet tutkimukset viittaavat siihen, että massaraja voisi olla paljon korkeampi.
Tutkijoiden työssä todetaan, että vaikkagalaktisten mustien aukkojen aurinkomassaraja on todennäköisesti satoja miljardeja, suurempia mustia aukkoja on voinut muodostua itsenäisesti maailmankaikkeuden alkuvaiheessa. Nämä alkuperäiset mustat aukot voivat olla yli miljoona kertaa suurempien galaktisten mustien aukkojen massa. Tutkimusryhmä kutsuu heitä uskomattoman suuriksi mustiksi aukkoiksi tai SLABeiksi (hämmästyttävän suuriksi mustiksi aukkoiksi).
Ajatus alkuperäisistä mustista aukoista on ollut olemassa jo kauan.Niitä on ehdotettu ratkaisuksi kaikkeen pimeästä aineesta siihen, miksi emme ole vielä löytäneet hypoteettista yhdeksättä planeettaa aurinkokunnassamme. Mutta teoreettiset mallit viittaavat siihen, että alkuperäiset mustat aukot olisivat paljon pienempiä kuin edes tähtien massamustat aukot, jotka muodostuivat varhaisen maailmankaikkeuden pienistä tiheysvaihteluista. Mutta tämä uusi tutkimus viittaa siihen, että pimeä aine ja muut tekijät voivat aiheuttaa valtavaa kasvua joissakin niistä.
Jos varhaisessa maailmankaikkeudessa oli runsaasti pimeyttäaine, erityisesti pimeän aineen muoto, joka tunnetaan heikosti vuorovaikutuksessa olevina massiivisina hiukkasina (WIMP), sitten alkuperäinen musta aukko voisi kuluttaa pimeän aineen kasvavan nopeasti. Koska pimeä aine ei ole voimakkaasti vuorovaikutuksessa valon kanssa, loukkuun jäänyt pimeä aine ei tuota paljon valoa tai lämpöä hidastamaan sen kasvunopeutta. Tämän seurauksena nämä mustat aukot olisivat voineet olla valtavat jo ennen maailmankaikkeuden jäähtymistä ja galaksien muodostumista. SLAB: n yläraja riippuu siitä, kuinka WIMP: n pimeä aine on vuorovaikutuksessa itsensä kanssa, joten jos havaitsemme SLAB: ita, se voi auttaa meitä ymmärtämään pimeää ainetta.
Kuinka ihmiskunta voi käyttää mustia aukkoja?
Suhteellisuusteoria ennustaa senpyöriviä mustia aukkoja voidaan käyttää energialähteinä. Vuonna 1969 Roger Penrose kuvaili prosessia tämän tekemiseksi. Pyörivien mustien aukkojen ympärillä on ergosfääri - alue, joka edeltää tapahtumahorisonttia. Kaikki elimet ergosfäärissä pyörivät mustan aukon kanssa.
Penrose-prosessi (kutsutaan myös mekanismiksiPenrose) pitää mustia aukkoja teoreettisesti keinona ottaa energiaa. Tällainen irtoutuminen voi tapahtua, jos mustan aukon pyörimisenergia ei sijaitse tapahtumahorisontin sisällä, vaan sen ulkopuolella - Kerr-avaruus-ajan alueella. Tässä ergosfäärissä mikä tahansa hiukkanen liikkuu välttämättä veturitilassa samanaikaisesti pyörivän aika-avaruuden kanssa, ts. kaikki siellä olevat esineet kulkeutuvat sen mukana. Tässä tapauksessa ergosfääriin saapuva ainepala jaetaan kahteen osaan. Aine voi esimerkiksi koostua kahdesta osasta, jotka erotetaan ampumalla räjähteellä tai ohjuksella, joka työntää sen puolikkaat erilleen. Kahden aineen kappaleen liikemäärä niiden erotessa voidaan järjestää siten, että toinen pala pakenee mustasta aukosta (se "pakenee äärettömyyteen") ja toinen putoaa tapahtumahorisontin taakse mustaan aukkoon. Huolellisella sijoittelulla aineen karkaavalla osalla voi olla suurempi massaenergia kuin alkuperäisellä, kun taas putoava osa saa negatiivisen massaenergian. Vaikka vauhti säilyy, vaikutus on, että tästä prosessista voidaan saada enemmän energiaa kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi eron tarjoaa itse musta aukko. Prosessi johtaa siten mustan aukon kulmamomentin lievään laskuun, mikä vastaa energian siirtymistä aineeseen. Kadonnut impulssi puolestaan muunnetaan uutetuksi energiaksi.
Penrose-prosessi osoittaa mahdollisuudenenergian saaminen mustasta aukosta, mutta se ei ole hyvä käytännön menetelmä. Sen toteuttamiseksi on välttämätöntä, että kahden vastasyntyneen hiukkasen nopeus ylittää puolet valon nopeudesta. Tällaisten tapahtumien odotettu taajuus on niin harvinainen, että se ei salli merkittävän määrän energian saamista.
Siksi tutkijat etsivät aktiivisesti muita mekanismeja.Esimerkiksi Stephen Hawking osoitti, että mustat aukot voivat vapauttaa energiaa lämpösäteilyn kautta. Toinen tapa saada energia on Blanford-Znaek-prosessi, joka perustuu sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen.
Luca Comisso Columbian yliopistosta ja Felipe A.Asenjo Adolfo Ibanezin yliopistosta kuvaavat artikkelissaan toisen vaihtoehdon Penrose-prosessille.
Mustia aukkoja ympäröi kuuma plasma, hiukkasetjoilla on magneettikenttä. Uuden mekanismin perusta energian saamiseksi pyörivistä mustista aukoista on magneettikenttäviivojen uudelleenkytkentä ergosfäärin sisällä. Tällöin mustan aukon tulisi olla ulkoisessa magneettikentässä, sillä tulisi olla suuri spin (a ~ 1) ja ympäröivä plasma voimakkaalla magnetisaatiolla. Tarvittavilla ominaisuuksilla on esimerkiksi mustat aukot, jotka muodostuvat pitkien ja lyhyiden gammasädepurkausten seurauksena, ja supermassiiviset mustat aukot aktiivisissa galaktisissa ytimissä.
Magneettinen uudelleenkytkentä kiihdyttää osan plasmastareiän pyörimissuunta. Toinen osa kiihtyy vastakkaiseen suuntaan ja putoaa tapahtumahorisontin ulkopuolelle. Energian vapautuminen tapahtuu, kuten Penrose-mekanismissa, jos absorboituneella plasmalla on negatiivista energiaa, ja kiihdytetyllä "pakenee" ergosfääristä. Erona on, että negatiivisen energian omaavien hiukkasten muodostuminen vaatii magneettikentän energian haihtumisen. Penrosen kuvaamassa prosessissa vain hiukkasten inertialla on merkitys.
Kuten tutkijat sanovat, kuvatun prosessin tehokkuus on 150prosenttia. Tämä tarkoittaa, että prosessin avulla voit saada puolitoista kertaa enemmän energiaa kuin sinun on käytettävä sen toteuttamiseen. Yli 100 prosentin hyötysuhde on mahdollista, koska ergosfääristä vapautuvat plasmapartikkelit kuljettavat mustan aukon energiaa. Uuden mekanismin löytäminen energian saamiseksi mustista aukoista antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden arvioida paremmin pyörimisnopeutensa ja ymmärtää, miten he säteilevät energiaa. Löytö on vielä kaukana käytännön sovelluksesta: on tarpeen selvittää, kuinka lentää mustaan aukkoon ja sijoittaa jotain sen ergosfääriin putoamatta tapahtumahorisontin ulkopuolelle.
Lue lisää
Saturnuksen kuu Titan on huomattavan samanlainen kuin Maa. Mitä suunnitelmia ihmiskunnalla on siihen?
Suuri määrä harmaita valaita alkaa nälkään ja kuolee Tyynellämerellä
Kolmasosa COVID-19: stä toipuneista palaa sairaalaan. Joka kahdeksas - kuolee
Jousiteoria perustuu hypoteesiin, että kaikkialkeishiukkaset ja niiden perustavanlaatuiset vuorovaikutukset syntyvät värähtelyjen ja ultramikroskooppisten kvanttijonojen vuorovaikutuksen seurauksena asteikoilla, jotka ovat suuruusluokkaa Planckin pituus 10−35 m