סוגי חורים שחורים
ישנם ארבעה סוגים של חורים שחורים בהתבסס על המסה שלהם: כוכבית, בינונית,
חורים שחורים בעלי מסה כוכבית הם קטנים אך קטלניים
שביל החלב מכיל כמאה מיליון שחוריםחורים שנוצרו כתוצאה מקריסת כוכבים מסיביים מאוד. כל אחד מהחורים השחורים הכוכבים האלה שוקל בערך פי 10 מהשמש שלנו. מעט מאוד מהחורים השחורים הללו נמצאים בסמיכות לכוכב רגיל שנשפך לאטו לחור שחור. כאשר גז זה נופל לעבר החור השחור, הוא מחומם על ידי כוח משיכה וחיכוך חזק. ליד חור שחור הגז מגיע לטמפרטורה טיפוסית של 10 מיליון מעלות צלזיוס. קל לצפות במקורות רנטגן אלה מחורים שחורים ברחבי שביל החלב, כמו גם בגלקסיות סמוכות, תוך שימוש במצפי רנטגן המקיפים אותם.
ראוי לציין כי כל חור שחור לחלוטיןמתואר בשני מספרים בלבד הקובעים את מסתו ואת מהירות הסיבוב שלו. איננו יודעים דבר פשוט יותר מחלקיק אלמנטרי כגון אלקטרון. מדענים ב- CFA מדדו את שני הפרמטרים הבסיסיים האלה - מסה וסחרור - במשך יותר מתריסר חורים שחורים כוכבים, ולמדו את כל ההיבטים של החורים השחורים הללו והמערכות שלהם.
למרות נוכחותה ביקום,חורים שחורים נותרים אובייקטים מסתוריים ביותר. אנו זקוקים לתיאוריה של כוח המשיכה הקוונטי שתשלב את תורת היחסות של איינשטיין בשנת 1916 עם תורת מכניקת הקוונטים של 1926. תיאוריה כזו אינה קיימת, למרות עשרות שנים של מאמצים תיאורטיים של פיזיקאים הלומדים תורת מיתרים ואחרים. יצירת תורת הכבידה הקוונטית תהפוך לכתר הפיזיקה יחד עם הישגיהם של ניוטון, איינשטיין וענקים אחרים.
חור שחור מסה בינונית (IMBH) - תקוע באמצע
בין מחלקות של חורים שחורים בגודל כוכביוסופר-מסיבי חייב להיות אחד נוסף בינוני. בכל מקרה, לפי חוקי ההיגיון. האם לא צריכים להיות חורים שחורים בגודל בינוני שעושים את ההבדל בין חורים שחורים בעלי מסה כוכבית לחורים שחורים סופר מסיביים? המסות הממוצעות הקוסמיות הללו, שיכולות לנוע בין כ-100 למיליון מסות שמש - אם כי הטווח המדויק משתנה בהתאם למי שואלים - נקראות חורים שחורים במסה בינונית, IMBHs). ולמרות שאסטרונומים מצאו כמה מועמדים משכנעים ל-IMBH הפזורים ברחבי היקום, השאלה אם הם באמת קיימים עדיין לא פתורה. עם זאת, הראיות מתחילות להצטבר.
אם כי הוכחה מוחלטת לקיוםIMBH נותרה חמקמקה, עם מספר מחקרים בעשרות השנים האחרונות שחשפו עדויות מסקרנות המרמזות על קיומם של חורים שחורים לא גדולים במיוחד.
איור של חור שחור צעיר, כמו שני קוואזרים רחוקים ללא אבק שהתגלו לאחרונה על ידי טלסקופ החלל שפיצר. (תמונה באדיבות נאס"א / JPL-Caltech)
לדוגמה, בשנת 2003 השתמשו החוקריםמצפה החלל XMM-Newton Space של ESA לזהות שני מקורות רנטגן חזקים ומובהקים בגלקסיית הכוכבים הסמוכה NGC 1313. מכיוון שחורים שחורים נוטים לטרוף באלימות חומר שמתקרב מדי ופולט גבוה. -קרינת אנרגיה, הם בין המקורות החזקים ביותר הידועים לקרינת רנטגן. על ידי זיהוי מקורות הרנטגן ב- NGC 1313 ובדיקת האופן בו הם מתלקחים מעת לעת, בשנת 2015, החוקרים הצליחו להגביל את המסה של אחד החורים השחורים כביכול של הגלקסיה המכונה NGC 1313 X-1. הם מעריכים שמדובר בערך פי 5,000 ממסת השמש, תן או קח, מה שמכניס אותה בביטחון לטווח המוני של חור שחור המוני ביניים.
באופן דומה, בשנת 2009, חוקרים גילועדות חזקה עוד יותר לקיומו של חור שחור בגודל בינוני. הצוות, שנמצא במרחק של כ-290 מיליון שנות אור מקצה הגלקסיה ESO 243-49, צפה במקור קרני רנטגן בהיר להפליא בשם HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), שאין לו מקבילה אופטית. זה מצביע על כך שהעצם הנצפה אינו רק כוכב או גלקסיה. בנוסף, החוקרים גילו שחתימת קרני הרנטגן של HLX-1 השתנתה עם הזמן, דבר המצביע על כך שהחור השחור מתבהר בכל פעם שכוכב קרוב מתקרב אליו, מזין גז וגורם להתפרצויות קצרות של קרני רנטגן שלאחר מכן נמוגות לאט. רָחוֹק. בהתבסס על בהירות ההתלקחויות שנצפו, החוקרים חישבו את המסה המינימלית של החור השחור להיות בערך פי 500 מהמסה של השמש, אם כי כמה הערכות מקרובות על משקלו ל-20,000 מסות שמש.
כרגע, גלאי גלי כבידהליגו ובתולה התחברו לגלות 20 חורים שחורים מסה כוכבים שמתמזגים ויוצרים חורים שחורים עם מסות של 20 עד 80 מסות שמש. אף על פי ש- LIGO-Virgo לא זיהה אף BH (יותר מ -100 מסות שמש), החוקרים אופטימיים לגבי איתורם בעתיד.
חור שחור פלאנק (חור שחור מיקרו)
חור שחור של פלאנק הוא חור שחור היפותטי בעל המסה הקטנה ביותר האפשרית, השווה למסת הפלנק.
צפיפות החומר של חור שחור כזה היאבערך 1094 ק"ג/מ"ר והיא כנראה צפיפות המסה המרבית הניתנת להשגה. פיזיקה בקנה מידה כזה חייבת להיות מתוארת על ידי תיאוריות של כוח הכבידה הקוונטי שטרם פותחו. עצם כזה זהה לחלקיק יסודי היפותטי בעל המסה המקסימלית האפשרית (ככל הנראה) - מקסימום.
חורים שחורים של פלאנק מאופיינים בצורה קיצוניתחתך קטן של אינטראקציה. קטנות החתך לאינטראקציה של מקסימונים נייטרליים עם חומר מובילה לעובדה שחלק משמעותי (או אפילו העיקרי) של החומר ביקום בעת הנוכחית יכול להיות מורכב ממקסונים, מבלי להוביל לסתירה עם תצפיות. בפרט, מקסימונים יכולים למלא את התפקיד של חומר בלתי נראה (חומר אפל), שקיומו מוכר כיום בקוסמולוגיה.
חורים שחורים סופר-מסיביים - הולדת ענקים
חורים שחורים קטנים מאכלסים את היקום, אך שלהםבני דודים, חורים שחורים סופר-מסיביים, שולטים. החורים השחורים הענקיים האלה הם מיליונים ואף מיליארדי פעמים מסיבית יותר מהשמש, אך בקוטר זהה לזה. סבורים כי חורים שחורים כאלה נמצאים במרכז כל גלקסיה, כולל שביל החלב.
מדענים אינם בטוחים עד כמה גדול כל כךחורים שחורים. לאחר שנוצרו ענקים אלה הם אוספים סביבם מסת אבק וגז, חומר שופע במרכז הגלקסיות, ומאפשר להם לגדול לגדלים גדולים עוד יותר.
חורים שחורים סופר מסיביים יכולים להיות התוצאהמיזוגים של מאות או אלפי חורים שחורים זעירים. ענני גז גדולים עשויים להיות אחראים גם לקריסתם ולעלייה מהירה במסה שלהם. או שמא זו התמוטטות של צביר כוכבים, קבוצת כוכבים הנופלים יחד. חורים שחורים סופר מסיביים יכולים להיווצר מהצטברויות גדולות של חומר אפל. זהו חומר שאנו יכולים לצפות בו באמצעות השפעתו הכבידה על עצמים אחרים; עם זאת, איננו יודעים ממה עשוי החומר האפל מכיוון שהוא אינו פולט אור ולא ניתן לצפות בו ישירות.
מחלקה חדשה של חורים שחורים - "סופר-סופר-מאסיביים" או חורים שחורים ענקיים
אז, כידוע, היקום שלנו מכילחורים שחורים ענקיים. לחור השחור הסופר-מסיבי במרכז הגלקסיה שלנו יש מסה של 4 מיליון שמשות, אך הוא קטן למדי, כמו חורים שחורים גלקטיים. לחורים שחורים גלקטיים רבים יש מסה של מיליארד מסות שמש, ומסת החור השחור המסיבי ביותר הידוע נאמד בכ- 70 מיליארד שמש. אבל כמה גדול יכול להיות חור שחור?
להפוך את החור השחור למאסיבי באמתעליה לספוג כמות גדולה של החומר בתחילת חייה. אם היא תצרוך חומר לאט, הגלקסיה שמסביב תיפול למקומה והיקום יתרחב, כך שהחור השחור לא יוכל לתפוס חומר רב יותר. אך כאשר חור שחור חודר במהירות חומר רב, החומר נעשה חם מאוד ונוטה להדוף חומר אחר, מה שמקשה על הצמיחה של החור השחור.
מבוסס על תצפיות של השחורים הגדולים ביותרחורים והדמיות מחשב להיווצרות חורים שחורים, מאמינים כי הגבול העליון של מסת החורים השחורים הגלקטיים הוא כ- 100 מיליארד מסות שמש. אך מחקרים חדשים מצביעים על כך שגבול ההמונים יכול להיות גבוה בהרבה.
עבודת המדענים מציינת כי, אם כילחורים שחורים גלקטיים ככל הנראה יש מגבלת מסת שמש של מאות מיליארדים, ייתכן שחורים שחורים גדולים יותר נוצרו באופן עצמאי בשלבים הראשונים של היקום. חורים שחורים ראשוניים אלה יכולים להיות פי יותר ממיליון המסה של החורים השחורים הגלקטיים הגדולים ביותר. צוות המחקר מכנה אותם חורים שחורים גדולים או SLABs (חורים שחורים גדולים להפליא).
הרעיון של חורים שחורים קדומים קיים כבר זמן רב.הם הוצעו כפתרון לכל דבר, החל מחומר אפל ועד למה עדיין לא גילינו כוכב לכת תשיעי היפותטי במערכת השמש שלנו. אך מודלים תיאורטיים מצביעים על כך שחורים שחורים ראשוניים יהיו קטנים בהרבה אפילו מחורים שחורים המוניים בכוכבים שנוצרו מתנודות צפיפות זעירות ביקום המוקדם. אך מחקר חדש זה מצביע על כך שחומר אפל וגורמים אחרים עלולים לגרום לצמיחה ענקית בחלקם.
אם היקום המוקדם היה עשיר בחושךחומר, במיוחד סוג של חומר אפל המכונה חלקיקים מסיביים המפעילים אינטראקציה חלשה (WIMP), ואז החור השחור הראשוני יכול לצרוך חומר אפל לגדול במהירות. מכיוון שחומר אפל אינו מתקשר חזק עם אור, חומר אפל כלוא לא יפולט הרבה אור או חום כדי להאט את קצב הצמיחה שלו. כתוצאה מכך, החורים השחורים הללו היו יכולים להיות עצומים עוד לפני שהיקום התקרר ונוצרו גלקסיות. מגבלת המסה העליונה של SLAB תהיה תלויה באופן שבו החומר האפל של WIMP מתקשר עם עצמו, כך שאם אנו מגלים SLABs זה יכול לעזור לנו להבין חומר אפל.
כיצד יכולה האנושות להשתמש בחורים שחורים?
תורת היחסות מנבאת זאתחורים שחורים מסתובבים יכולים לשמש כמקורות אנרגיה. בשנת 1969 תיאר רוג'ר פנרוז תהליך לעשות זאת. סביב החורים השחורים המסתובבים יש ארגוספירה - האזור שקודם לאופק האירועים. כל הגופים בארגוספירה סובבים עם החור השחור.
תהליך פנרוז (נקרא גם מנגנוןפנרוז) רואה באופן תיאורטי חורים שחורים כאמצעי להפקת אנרגיה. מיצוי כזה יכול להתרחש אם אנרגיית הסיבוב של החור השחור אינה ממוקמת בתוך אופק האירועים, אלא בחוץ - באזור המרחב-זמן של קר. בארגוספרה זו, כל חלקיק נע בהכרח במצב קטר בו-זמנית עם המרחב-זמן המסתובב, כלומר. כל החפצים שם נסחפים אליו. במקרה זה, פיסת חומר הנכנסת לארגוספרה מפוצלת לשני חלקים. לדוגמה, החומר עשוי להיות מורכב משני חלקים המופרדים על ידי ירי חומר נפץ או טיל שמרחיק את חצאיו זה מזה. ניתן לסדר את המומנטום של שני חלקי חומר כשהם נפרדים כך שחלק אחד בורח מהחור השחור (הוא "בורח לאינסוף") והשני נופל אל מעבר לאופק האירועים אל החור השחור. אם מניחים אותו בזהירות, לחלק הנמלט של החומר יכולה להיות אנרגיה מסה גדולה יותר מהמקורי, בעוד שהחלק הנופל שלו מקבל אנרגיה מסה שלילית. למרות המומנטום נשמר, ההשפעה היא שניתן להפיק מתהליך זה יותר אנרגיה ממה שהיה מיועד במקור. יתר על כן, ההבדל מסופק על ידי החור השחור עצמו. התהליך מביא אפוא לירידה קלה בתנע הזוויתי של החור השחור, המקביל להעברת אנרגיה לחומר. הדחף האבוד, בתורו, מומר לאנרגיה מופקת.
תהליך פנרוז מעיד על האפשרותקבלת אנרגיה מחור שחור, אבל זו לא שיטה מעשית טובה. לצורך יישומו, יש צורך ששני חלקיקים שזה עתה נולדו יהיו במהירות העולה על מחצית ממהירות האור. התדירות הצפויה של אירועים כאלה היא כה נדירה שהיא לא תאפשר להשיג כמות משמעותית של אנרגיה.
לכן, מדענים מחפשים באופן פעיל מנגנונים אחרים.לדוגמא, סטיבן הוקינג הראה כי חורים שחורים יכולים לשחרר אנרגיה באמצעות קרינת חום. דרך נוספת להפיק אנרגיה היא תהליך Blanford-Znaek, המבוסס על אינטראקציה אלקטרומגנטית.
לוקה קומיסו מאוניברסיטת קולומביה ופליפה א אסנג'ו מאוניברסיטת אדולפו איבנז מתארים במאמרם אלטרנטיבה נוספת לתהליך פנרוז.
חורים שחורים מוקפים בפלזמה חמה, חלקיקיםשיש להם שדה מגנטי. הבסיס של מנגנון חדש להשגת אנרגיה מחורים שחורים מסתובבים הוא חיבור מחדש של קווי שדה מגנטיים בתוך הארגוספירה. במקרה זה, החור השחור צריך להיות בשדה מגנטי חיצוני, להיות בעל סיבוב גדול (a ~ 1) והפלזמה שמסביב עם מגנטיזציה חזקה. לדוגמא, חורים שחורים שנוצרו כתוצאה מהתפרצויות קרני גמא ארוכות וקצרות וחורים שחורים על-מאסיביים בגרעינים גלקטיים פעילים הם בעלי התכונות הדרושות.
חיבור מחדש מגנטי מאיץ חלק מהפלזמהכיוון הסיבוב של החור. החלק השני מאיץ בכיוון ההפוך ונופל מעבר לאופק האירועים. שחרור האנרגיה, כמו במנגנון פנרוז, מתרחש אם לפלזמה הנספגת אנרגיה שלילית, והמואצת "בורחת" מהארגוספירה. ההבדל הוא שהיווצרות חלקיקים עם אנרגיה שלילית מחייבת פיזור האנרגיה של השדה המגנטי. בתהליך שתיאר פנרוז, רק האינרציה של החלקיקים משחקת תפקיד.
כפי שאומרים מדענים, יעילות התהליך המתואר היא 150אָחוּז. משמעות הדבר היא שהתהליך מאפשר לך להשיג אנרגיה פי 1 וחצי ממה שאתה צריך להוציא על יישומו. השגת יעילות של יותר מ 100 אחוז אפשרית, מכיוון שחלקיקי פלזמה המשתחררים מהארגוספירה מביאים את אנרגיית החור השחור. גילוי מנגנון חדש להפקת אנרגיה מחורים שחורים יאפשר לאסטרונומים להעריך טוב יותר את המומנטום הסיבובי שלהם ולהבין כיצד הם מקרינים אנרגיה. הגילוי עדיין רחוק מלהיות יישום מעשי: יש צורך להבין כיצד לעוף אל החור השחור ולמקם משהו בארגוספירה שלו מבלי ליפול מעבר לאופק האירועים.
קרא עוד
הירח של שבתאי טיטאן דומה להפליא לכדור הארץ. אילו תוכניות יש לאנושות בשבילה?
מספר גדול של לווייתנים אפורים מתחיל לרעוב ולמות באוקיאנוס השקט
שליש מאלו שהחלימו מ- COVID-19 חוזרים לבית החולים. כל שמינית - מתה
תורת המיתרים מבוססת על ההשערה שכלחלקיקים אלמנטריים ויחסי הגומלין הבסיסיים שלהם נוצרים כתוצאה מרעידות ויחסי גומלין של מיתרים קוונטיים אולטרה מיקרוסקופיים בקשקשים בסדר גודל אורך פלאנק של 10−35 מ '