Vrste crnih rupa
Postoje četiri vrste crnih rupa na temelju njihove mase: zvjezdane, srednje,
Crne rupe zvjezdane mase su male, ali smrtonosne
Mliječni put sadrži oko sto milijuna crne bojerupe koje su nastale kao rezultat kolapsa vrlo masivnih zvijezda. Svaka od ovih zvjezdanih crnih rupa teška je oko 10 puta više od našeg Sunca. Vrlo je malo tih crnih rupa u neposrednoj blizini obične zvijezde koja se polako prelijeva u crnu rupu. Kad taj plin padne prema crnoj rupi, zagrijava se snažnom gravitacijom i trenjem. U blizini crne rupe plin doseže tipičnu temperaturu od 10 milijuna Celzijevih stupnjeva. Te je rendgenske izvore iz crnih rupa lako primijetiti u cijelom Mliječnom putu, kao i u obližnjim galaksijama, koristeći orbitalne rentgenske zvjezdarnice.
Značajno je da bilo koja crna rupa u potpunostije opisan sa samo dva broja koja određuju njegovu masu i brzinu rotacije. Ne znamo ništa jednostavnije od elementarne čestice poput elektrona. CFA-ini znanstvenici izmjerili su oba temeljna parametra - masu i spin - za preko desetak zvjezdanih crnih rupa, proučavajući sve aspekte tih crnih rupa i njihovih sustava.
Unatoč svojoj sveprisutnosti u svemiru,crne rupe ostaju krajnje tajanstveni predmeti. Trebamo teoriju kvantne gravitacije koja će kombinirati Einsteinovu teoriju relativnosti iz 1916. s teorijom kvantne mehanike iz 1926. godine. Takva teorija ne postoji, unatoč desetljećima teorijskih napora fizičara koji proučavaju teoriju struna i drugih. Stvaranje teorije kvantne gravitacije postat će kruna fizike na razini dostignuća Newtona, Einsteina i drugih divova.
Crna rupa srednje mase (IMBH) - zaglavila se u sredini
Između klasa crnih rupa zvjezdane veličineA supermasivno mora postojati još jedan međuprodukt. U svakom slučaju, prema zakonima logike. Ne bi li trebale postojati crne rupe srednje veličine koje čine razliku između crnih rupa zvjezdane mase i supermasivnih crnih rupa? Ove kozmičke prosječne mase, koje se mogu kretati od oko 100 do 1 milijuna solarnih masa—iako točan raspon varira ovisno o tome koga pitate—nazivaju se crne rupe srednje mase (IMBH). I premda su astronomi pronašli nekoliko uvjerljivih kandidata za IMBH razasutih diljem svemira, pitanje postoje li oni doista još uvijek nije riješeno. Međutim, dokazi se počinju gomilati.
Iako konačni dokaz postojanjaIMBH je i dalje nedostižan, a brojna su istraživanja tijekom posljednjih nekoliko desetljeća otkrila intrigantne dokaze koji nagovještavaju postojanje tih ne baš velikih, ne baš malih crnih rupa.
Ilustracija mlade crne rupe, poput dva daleka kvazara bez prašine koje je nedavno otkrio svemirski teleskop Spitzer. (Slika ljubaznošću NASA / JPL-Caltech)
Primjerice, 2003. istraživači su koristiliESA-in XMM-Newton svemirski opservatorij kako bi identificirao dva snažna, različita izvora X-zraka u obližnjoj galaksiji zvjezdanih rafala NGC 1313. Budući da crne rupe teže nasilno proždiru materijal koji dolazi preblizu i visoko izbija. -energetsko zračenje, oni su među najjačim poznatim izvorima rendgenskog zračenja. Identificirajući izvore X-zraka u NGC 1313 i proučavajući kako se oni periodično rasplamsavaju, 2015. godine istraživači su uspjeli ograničiti masu jedne od navodnih crnih rupa galaksije poznate kao NGC 1313 X-1. Procjenjuju da je to oko 5000 puta veća masa Sunca, daj ili uzmi, što ga pouzdano stavlja u raspon masa crne rupe srednje mase.
Slično su 2009. istraživači otkrilijoš jači dokaz za postojanje crne rupe srednje veličine. Smješten otprilike 290 milijuna svjetlosnih godina od ruba galaksije ESO 243-49, tim je uočio nevjerojatno svijetli izvor X-zraka nazvan HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), koji nema optički pandan. To sugerira da promatrani objekt nije samo zvijezda ili galaksija. Osim toga, istraživači su otkrili da se rendgenski potpis HLX-1 mijenjao tijekom vremena, što sugerira da crna rupa postaje svjetlija svaki put kada joj se obližnja zvijezda približi, unoseći plin i uzrokujući kratke izboje rendgenskih zraka koji zatim polako nestaju. daleko. Na temelju svjetline opaženih baklji, istraživači su izračunali da je minimalna masa crne rupe oko 500 puta veća od mase Sunca, iako neke procjene govore da je njena težina bliža 20.000 solarnih masa.
Trenutno su gravitacijski detektori valovaLIGO i Djevica udružili su se kako bi otkrili 20 zvjezdanih masnih crnih rupa koje se stapaju stvarajući crne rupe s masama od 20 do 80 sunčevih masa. Iako LIGO-Virgo nije otkrio nijednu BH (više od 100 Sunčevih masa), istraživači su optimistični u pogledu njihovog otkrivanja u budućnosti.
Planck crna rupa (mikro crna rupa)
Planckova crna rupa je hipotetska crna rupa s najmanjom mogućom masom, koja je jednaka Planckovoj masi.
Gustoća materije takve crne rupe jeoko 1094 kg/m³ i vjerojatno je najveća moguća gustoća mase. Fizika u takvim razmjerima mora biti opisana teorijama kvantne gravitacije koje još nisu razvijene. Takav objekt identičan je hipotetskoj elementarnoj čestici s (vjerojatno) najvećom mogućom masom — maksimonu.
Planck crne rupe karakteriziraju izuzetnomali presjek interakcije. Malen presjek za interakciju neutralnih maksimona s materijom dovodi do činjenice da bi se značajan (ili čak glavni) dio materije u Svemiru u današnje vrijeme mogao sastojati od maksimona, a da to ne dovodi do proturječja s opažanjima. Konkretno, maksimoni bi mogli igrati ulogu nevidljive materije (tamne materije), čije je postojanje trenutno prepoznato u kozmologiji.
Supermasivne crne rupe - rođenje divova
Male crne rupe nastanjuju svemir, ali njihovdominiraju rođaci, supermasivne crne rupe. Te su ogromne crne rupe milijuni ili čak milijarde puta masivnije od Sunca, ali promjera približno iste veličine. Vjeruje se da se takve crne rupe mogu naći u središtu gotovo svake galaksije, uključujući Mliječni put.
Znanstvenici nisu sigurni koliko su tolikiCrne rupe. Jednom kad su se ti divovi stvorili, oko sebe sakupljaju masu prašine i plina, materijala kojeg ima u izobilju u središtu galaksija, što im omogućuje da narastu do još većih veličina.
Rezultat bi mogle biti supermasivne crne rupespajanja stotina ili tisuća sićušnih crnih rupa. Veliki oblaci plina također mogu biti odgovorni za njihov kolaps i brzo povećanje mase. Ili je to kolaps zvjezdanog jata, skupine zvijezda koje padaju zajedno. Supermasivne crne rupe mogu nastati iz velikih nakupina tamne tvari. Ovo je tvar koju možemo promatrati kroz njezin gravitacijski učinak na druge objekte; međutim, ne znamo od čega se sastoji tamna tvar jer ona ne emitira svjetlost i ne može se izravno promatrati.
Nova klasa crnih rupa - "super-supermasivne" ili ogromne crne rupe
Dakle, kao što već znamo, naš Svemir sadržigoleme crne rupe. Supermasivna crna rupa u središtu naše galaksije ima masu od 4 milijuna Sunca, ali je prilično mala, poput galaktičkih crnih rupa. Mnoge galaktičke crne rupe imaju masu od jedne milijarde Sunčevih masa, a masa najmasovnije poznate crne rupe procjenjuje se na oko 70 milijardi sunaca. Ali koliko velika može biti crna rupa?
Da bi crna rupa bila stvarno masivnaona mora apsorbirati veliku količinu tvari na početku svog života. Ako polako troši materiju, tada će okolna galaksija sjesti na svoje mjesto i svemir će se proširiti, tako da crna rupa ne može uhvatiti puno više materije. Ali kad crna rupa brzo zahvati veliku količinu materije, ona postaje vrlo vruća i nastoji odbiti drugu materiju, što otežava rast crne rupe.
Na temelju promatranja najvećih crnacarupe i računalne simulacije nastanka crnih rupa, vjeruje se da je gornja granica mase galaktičkih crnih rupa oko 100 milijardi Sunčevih masa. No, nova istraživanja sugeriraju da bi granična masa mogla biti puno veća.
U radu znanstvenika zabilježeno je da, iakogalaktičke crne rupe vjerojatno imaju ograničenje solarne mase od stotina milijardi, a veće crne rupe mogle su se stvoriti neovisno u ranim fazama svemira. Te iskonske crne rupe mogu biti više od milijun puta veće od mase najvećih galaktičkih crnih rupa. Istraživački tim ih naziva nevjerojatno velikim crnim rupama ili SLAB-ima (nevjerovatno velikim crnim rupama).
Ideja o iskonskim crnim rupama postoji već dugo vremena.Predloženi su kao rješenje svega, od tamne materije do zašto još nismo otkrili hipotetički deveti planet u našem Sunčevom sustavu. Ali teoretski modeli sugeriraju da bi iskonske crne rupe bile mnogo manje od čak i zvjezdanih masnih crnih rupa nastalih iz malenih fluktuacija gustoće u ranom svemiru. Ali ovo novo istraživanje sugerira da bi tamna tvar i drugi čimbenici mogli uzrokovati kolosalni rast kod nekih od njih.
Ako je rani svemir bio bogat tamomtvari, posebno oblika tamne materije poznat kao slabo interakcijske masivne čestice (WIMP), tada bi iskonska crna rupa mogla trošiti tamnu tvar da bi brzo rasla. Budući da tamna tvar ne djeluje snažno sa svjetlošću, zarobljena tamna tvar neće emitirati puno svjetlosti ili topline kako bi usporila brzinu rasta. Kao rezultat, ove crne rupe mogle su biti ogromne i prije nego što se svemir ohladio i stvorile galaksije. Gornja granica mase za SLAB ovisit će o načinu na koji WIMP tamna tvar djeluje sama sa sobom, pa ako otkrijemo bilo koji SLAB, mogla bi nam pomoći u razumijevanju tamne tvari.
Kako čovječanstvo može koristiti crne rupe?
Teorija relativnosti to predviđarotirajuće crne rupe mogu se koristiti kao izvori energije. 1969. Roger Penrose opisao je postupak za to. Oko rotirajućih crnih rupa postoji ergosfera - područje koje prethodi horizontu događaja. Sva tijela u ergosferi vrte se s crnom rupom.
Penroseov proces (koji se naziva i mehanizamPenrose) teoretski gleda na crne rupe kao na sredstvo za izvlačenje energije. Takvo izdvajanje može se dogoditi ako se rotacijska energija crne rupe ne nalazi unutar horizonta događaja, već izvan - u području Kerrovog prostor-vremena. U ovoj ergosferi svaka se čestica nužno giba u lokomotivnom modu istovremeno s rotirajućim prostor-vremenom, tj. sve predmete koji su tamo odneseni su njime. U ovom slučaju, komadić materije koji ulazi u ergosferu biva podijeljen na dva dijela. Na primjer, materija se može sastojati od dva dijela koja su odvojena ispaljivanjem eksploziva ili projektila koji gura svoje polovice. Zamah dva komada materije dok se odvajaju može se rasporediti tako da jedan komad pobjegne iz crne rupe ("pobjegne u beskonačnost"), a drugi padne iza horizonta događaja u crnu rupu. Ako se pažljivo postavi, dio materije koji bježi može imati veću energiju mase od prvobitnog, dok dio koji pada dobiva negativnu energiju mase. Iako je zamah zadržan, učinak je da se iz ovog procesa može izvući više energije nego što je prvotno planirano. Štoviše, razliku daje sama crna rupa. Proces stoga rezultira blagim smanjenjem kutnog momenta crne rupe, što odgovara prijenosu energije na materiju. Izgubljeni impuls pak se pretvara u izvučenu energiju.
Penroseov postupak ukazuje na mogućnostdobivanje energije iz crne rupe, ali to nije dobra praktična metoda. Za njegovu provedbu potrebno je da dvije novorođene čestice imaju brzinu veću od polovine brzine svjetlosti. Očekivana učestalost takvih događaja toliko je rijetka da neće dopustiti dobivanje značajne količine energije.
Stoga znanstvenici aktivno traže druge mehanizme.Na primjer, Stephen Hawking pokazao je da crne rupe mogu oslobađati energiju toplinskim zračenjem. Drugi način izvlačenja energije je Blanford-Znaekov postupak, zasnovan na elektromagnetskoj interakciji.
Luca Comisso sa Sveučilišta Columbia i Felipe A. Asenjo sa Sveučilišta Adolfo Ibanez u svom članku opisuju još jednu alternativu Penroseovom procesu.
Crne rupe okružene su vrućom plazmom, česticamakoji imaju magnetsko polje. Osnova novog mehanizma za dobivanje energije iz rotirajućih crnih rupa jest ponovno spajanje linija magnetskog polja unutar ergosfere. U tom bi slučaju crna rupa trebala biti u vanjskom magnetskom polju, imati veliki spin (a ~ 1) i okolnu plazmu s jakom magnetizacijom. Potrebna svojstva posjeduju, na primjer, crne rupe nastale kao rezultat dugih i kratkih izbijanja gama zraka i supermasivne crne rupe u aktivnim galaktičkim jezgrama.
Magnetsko ponovno spajanje ubrzava dio plazme usmjer vrtnje rupe. Drugi dio ubrzava u suprotnom smjeru i pada izvan horizonta događaja. Oslobađanje energije, kao u Penroseovom mehanizmu, događa se ako apsorbirana plazma ima negativnu energiju, a ubrzana "pobjegne" iz ergosfere. Razlika je u tome što nastajanje čestica s negativnom energijom zahtijeva rasipanje energije magnetskog polja. U procesu koji je opisao Penrose, samo inercija čestica igra ulogu.
Kako znanstvenici kažu, učinkovitost opisanog postupka je 150posto. To znači da vam postupak omogućuje da dobijete jedan i pol puta više energije nego što je potrebno za njegovu provedbu. Postizanje učinkovitosti veće od 100 posto moguće je jer čestice plazme oslobođene iz ergosfere odnose energiju crne rupe. Otkriće novog mehanizma za vađenje energije iz crnih rupa omogućit će astronomima da bolje procijene svoj rotacijski zamah i razumiju kako zrače energiju. Otkriće je još uvijek daleko od praktične primjene: potrebno je smisliti kako letjeti do crne rupe i smjestiti nešto u njezinu ergosferu, a da ne padne izvan horizonta događaja.
Čitaj više
Saturnov mjesec Titan izuzetno je sličan Zemlji. Kakve planove čovječanstvo ima za to?
Veliki broj sivih kitova počinje gladovati i umirati na Tihom oceanu
Trećina onih koji su se oporavili od COVID-19 vraća se u bolnicu. Svaki osmi - umire
Teorija struna temelji se na hipotezi da svielementarne čestice i njihove temeljne interakcije nastaju kao rezultat vibracija i interakcija ultramikroskopskih kvantnih žica na ljestvicama reda Planckove duljine 10−35 m