Juodųjų skylių tipai
Pagal jų masę yra keturių tipų juodosios skylės: žvaigždinės, tarpinės,
Žvaigždžių masės juodosios skylės yra mažos, bet mirtinos
Paukščių take yra apie šimtą milijonų juodųskylės, kurios susidarė dėl labai masyvių žvaigždžių žlugimo. Kiekviena iš šių žvaigždžių juodųjų skylių sveria maždaug 10 kartų daugiau nei mūsų Saulė. Nedaugelis šių juodųjų skylių yra arti paprastos žvaigždės, kuri lėtai teka į juodąją skylę. Kai šios dujos patenka link juodosios skylės, jos yra kaitinamos dėl stipraus gravitacijos ir trinties. Netoli juodosios skylės dujos pasiekia tipinę 10 milijonų laipsnių Celsijaus temperatūrą. Šiuos rentgeno šaltinius iš juodųjų skylių lengva stebėti visame Paukščių Take, taip pat netoliese esančiose galaktikose, naudojant orbitines rentgeno observatorijas.
Pažymėtina, kad bet kokia juodoji skylė yra visiškaiapibūdinamas tik dviem skaičiais, kurie nustato jo masę ir sukimosi greitį. Mes nežinome nieko paprastesnio už elementarią dalelę, tokią kaip elektronas. CFA mokslininkai išmatavo abu šiuos pagrindinius parametrus - masę ir nugarą - daugiau nei dešimčiai žvaigždžių juodųjų skylių, tyrinėdami visus šių juodųjų skylių aspektus ir jų sistemas.
Nepaisant visatos visatoje,juodosios skylės išlieka itin paslaptingais objektais. Mums reikia kvantinės gravitacijos teorijos, kuri sujungtų Einšteino 1916 m. Reliatyvumo teoriją su 1926 m. Kvantinės mechanikos teorija. Tokios teorijos nėra, nepaisant stygų teoriją studijuojančių fizikų ir kitų dešimtmečių teorinių pastangų. Kvantinės traukos teorijos sukūrimas taps fizikos karūna kartu su Niutono, Einšteino ir kitų milžinų pasiekimais.
Vidutinės masės juoda skylė (IMBH) - įstrigusi viduryje
Tarp žvaigždžių dydžio juodųjų skylių klasiųIr supermasyvus turi būti dar vienas tarpinis. Bet kuriuo atveju pagal logikos dėsnius. Ar neturėtų būti vidutinio dydžio juodųjų skylių, kurios skirtų žvaigždžių masės juodąsias skyles ir supermasyvias juodąsias skyles? Šios vidutinės kosminės masės, kurios gali svyruoti nuo maždaug 100 iki 1 milijono saulės masių (nors tikslus diapazonas skiriasi priklausomai nuo to, ko klausiate), vadinamos vidutinės masės juodųjų skylių skylėmis (IMBH). Ir nors astronomai rado keletą įtikinamų IMBH kandidatų, išsibarsčiusių visoje Visatoje, klausimas, ar jie iš tikrųjų egzistuoja, vis dar neišspręstas. Tačiau ima kauptis įrodymai.
Nors galutinis egzistavimo įrodymasIMBH išlieka nepastebimas, nes per pastaruosius kelis dešimtmečius atlikta daugybė tyrimų, kurie atskleidė intriguojančius įrodymus, rodančius, kad egzistuoja šios ne itin didelės, ne labai mažos juodosios skylės.
Jaunos juodosios skylės iliustracija, pavyzdžiui, du tolimi dulkių neturintys kvazarai, kuriuos neseniai atrado Spicerio kosminis teleskopas. (Viršelio leidimas iš NASA / JPL-Caltech)
Pavyzdžiui, 2003 m. Tyrėjai naudojoESA kosminė observatorija „XMM-Newton“ nustatė du stiprius, ryškius rentgeno spindulių šaltinius netoliese esančioje žvaigždžių galaktikoje NGC 1313. Kadangi juodosios skylės smarkiai ryja medžiagą, kuri tampa per arti ir išteka aukštai. energijos spinduliuotė, jie yra vieni stipriausių žinomų rentgeno spindulių šaltinių. 2015 m. Mokslininkai, nustatydami NGC 1313 rentgeno spindulių šaltinius ir tirdami, kaip jie periodiškai įsiliepsnoja, galėjo apriboti vienos iš tariamų juodųjų galaktikos skylių, vadinamų NGC 1313 X-1, masę. Jie apskaičiavo, kad tai yra maždaug 5000 kartų didesnė už Saulės, duok arba imk, masę, todėl ji tikrai patenka į tarpinės masės juodosios skylės masės diapazoną.
Panašiai 2009 m. mokslininkai atradodar stipresni vidutinio dydžio juodosios skylės egzistavimo įrodymai. Įsikūrusi maždaug 290 milijonų šviesmečių nuo galaktikos ESO 243-49 krašto, komanda stebėjo neįtikėtinai ryškų rentgeno šaltinį, vadinamą HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), kuris neturi optinio atitikmens. Tai rodo, kad stebimas objektas nėra tik žvaigždė ar galaktika. Be to, mokslininkai nustatė, kad laikui bėgant HLX-1 rentgeno spindulių signalas pasikeitė, o tai rodo, kad juodoji skylė ryškėja kiekvieną kartą, kai šalia jos priartėja žvaigždė, tiekdama dujas ir sukeldama trumpus rentgeno spindulių pliūpsnius, kurie vėliau pamažu išnyksta. toli. Remdamiesi pastebėtų blyksnių ryškumu, mokslininkai apskaičiavo, kad juodosios skylės mažiausia masė yra maždaug 500 kartų didesnė už Saulės masę, nors kai kuriais skaičiavimais, jos svoris priartėjo prie 20 000 Saulės masių.
Šiuo metu gravitacinių bangų detektoriaiLIGO ir Mergelė drauge atrado 20 žvaigždžių masės juodųjų skylių, kurios susijungia ir sudaro juodąsias skyles, kurių masė svyruoja nuo 20 iki 80 saulės masių. Nors LIGO-Virgo neaptiko nė vieno BH (daugiau nei 100 saulės masių), mokslininkai optimistiškai vertina jų aptikimą ateityje.
„Planck“ juoda skylė (labai maža juoda skylė)
Planko juodoji skylė yra hipotetinė juodoji skylė, turinti kuo mažesnę masę, kuri lygi Planko masei.
Tokios juodosios skylės materijos tankis yraapie 1094 kg/m³ ir tikriausiai yra didžiausias pasiekiamas masės tankis. Tokių mastelių fizika turi būti aprašyta dar nesukurtomis kvantinės gravitacijos teorijomis. Toks objektas yra identiškas hipotetinei elementariai dalelei, kurios (turbūt) didžiausia galima masė – maksimonas.
Plancko juodosios skylės pasižymi nepaprastaimažas sąveikos skerspjūvis. Skerspjūvio mažumas neutralių maksimumų sąveikai su materija lemia tai, kad reikšminga (ar net pagrindinė) materijos dalis Visatoje šiuo metu galėtų susidaryti iš maksimonų, nekeldama prieštaravimo su stebėjimais. Visų pirma, maksimonai galėtų atlikti nematomos materijos (tamsiosios materijos) vaidmenį, kurio egzistavimas šiuo metu pripažįstamas kosmologijoje.
Supermasyvios juodosios skylės - milžinų gimimas
Visatoje gyvena mažos juodosios skylės, tačiau jųdominuoja pusbroliai, supermasyvios juodosios skylės. Šios didžiulės juodosios skylės yra milijonus ar net milijardus kartų masyvesnės už Saulę, tačiau maždaug tokio pat skersmens. Manoma, kad tokių juodųjų skylių yra praktiškai kiekvienos galaktikos, įskaitant Paukščių Taką, centre.
Mokslininkai nėra tikri, koks toks didelisJuodosios skylės. Susikūrę šie milžinai, aplink save surenka dulkių ir dujų masę, galaktikų centre gausios medžiagos, leidžiančios išaugti dar didesniems.
Rezultatas gali būti supermasyvios juodosios skylėssusilieja šimtai ar tūkstančiai mažų juodųjų skylių. Dideli dujų debesys taip pat gali būti atsakingi už jų žlugimą ir greitą masės padidėjimą. Arba tai žvaigždžių spiečiaus žlugimas, žvaigždžių grupė, kuri krinta kartu. Supermasyvios juodosios skylės gali atsirasti dėl didelių tamsiosios medžiagos sankaupų. Tai medžiaga, kurią galime stebėti dėl jos gravitacinio poveikio kitiems objektams; tačiau mes nežinome, iš ko sudaryta tamsioji medžiaga, nes ji neskleidžia šviesos ir negali būti tiesiogiai stebima.
Nauja juodųjų skylių klasė – „super-supermasyvios“ arba didžiulės juodosios skylės
Taigi, kaip mes jau žinome, mūsų Visatoje yradidžiulės juodosios skylės. Supermasyvios juodosios skylės, esančios mūsų galaktikos centre, masė yra 4 milijonai Saulės, tačiau ji yra gana maža, kaip ir juodosios galaktikos skylės. Daugelio galaktikos juodųjų skylių masė yra milijardas saulės masių, o manoma, kad masyviausios žinomos juodosios skylės masė yra apie 70 milijardų saulės. Bet kokia gali būti juodoji skylė?
Kad juodoji skylė būtų tikrai didžiulėgyvenimo pradžioje ji turi absorbuoti didelį kiekį medžiagos. Jei jis lėtai sunaudoja materiją, tada aplinkinė galaktika pateks į savo vietą ir visata išsiplės, todėl juodoji skylė negali užfiksuoti daug daugiau materijos. Bet kai juodoji skylė greitai pasisavina didelį materijos kiekį, medžiaga tampa labai karšta ir yra linkusi atstumti kitas medžiagas, todėl juodajai skylei sunku augti.
Remiantis didžiausių juodaodžių stebėjimaisskylių ir kompiuterinių juodųjų skylių susidarymo modeliavimų, manoma, kad viršutinė galaktinių juodųjų skylių masės riba yra apie 100 milijardų saulės masių. Tačiau nauji tyrimai rodo, kad masės riba gali būti daug didesnė.
Mokslininkų darbe pažymima, kad, norsGalaktikos juodosiose skylėse saulės masės riba tikriausiai yra šimtai milijardų; ankstesnėse visatos stadijose didesnės juodosios skylės galėjo atsirasti savarankiškai. Šios pirmapradės juodosios skylės gali viršyti milijoną kartų didžiausių galaktikos juodųjų skylių masės. Tyrėjų grupė juos vadina neįtikėtinai didelėmis juodosiomis skylėmis arba SLAB (nuostabiai didelėmis juodosiomis skylėmis).
Pirmykščių juodųjų skylių idėja egzistavo ilgą laiką.Jie buvo pasiūlyti kaip visko sprendimas nuo tamsiosios materijos iki to, kodėl mes dar neatradome hipotetinės devintosios planetos savo Saulės sistemoje. Tačiau teoriniai modeliai rodo, kad pirmapradės juodosios skylės būtų daug mažesnės nei net žvaigždžių masės juodosios skylės, susidariusios dėl mažų tankio svyravimų ankstyvojoje visatoje. Tačiau šis naujas tyrimas rodo, kad tamsioji materija ir kiti veiksniai gali sukelti didžiulį kai kurių jų augimą.
Jei ankstyvojoje visatoje buvo daug tamsosmedžiaga, ypač tamsiosios materijos forma, vadinama silpnai sąveikaujančiomis masyviomis dalelėmis (WIMP), pirmykštė juodoji skylė galėjo sunaudoti tamsiąją medžiagą, kad ji greitai augtų. Kadangi tamsioji materija stipriai nesąveikauja su šviesa, įstrigusi tamsioji materija neišskirs daug šviesos ar šilumos, kad sulėtėtų jos augimo greitis. Todėl šios juodosios skylės gali būti didžiulės dar prieš visatai atvėstant ir formuojantis galaktikoms. Viršutinė SLAB masės riba priklausys nuo to, kaip WIMP tamsioji medžiaga sąveikauja su savimi, taigi, jei aptiksime kokias nors SLAB, tai gali padėti suprasti tamsiąją medžiagą.
Kaip žmonija gali panaudoti juodąsias skyles?
Reliatyvumo teorija tai numatobesisukančios juodosios skylės gali būti naudojamos kaip energijos šaltiniai. 1969 m. Roger Penrose aprašė procesą, kaip tai padaryti. Aplink besisukančias juodąsias skyles yra ergosfera - regionas, einantis prieš įvykio horizontą. Visi ergosferos kūnai sukasi su juodąja skylute.
Penrose procesas (taip pat vadinamas mechanizmuPenrose) teoriškai mano, kad juodosios skylės yra energijos išgavimo priemonė. Toks ištraukimas gali įvykti, jei juodosios skylės sukimosi energija yra ne įvykių horizonto viduje, o išorėje – Kerr erdvėlaikio srityje. Šioje ergosferoje bet kuri dalelė būtinai juda lokomotyvo režimu kartu su besisukančiu erdvėlaikiu, t.y. visi ten esantys daiktai nunešami jo. Šiuo atveju į ergosferą patenkanti materijos gabalėlis padalijamas į dvi dalis. Pavyzdžiui, medžiaga gali būti sudaryta iš dviejų dalių, kurios yra atskirtos paleidžiant sprogmenį arba raketą, kuri išstumia jos puses. Dviejų materijos gabalėlių impulsą, kai jie išsiskiria, galima išdėstyti taip, kad vienas gabalas ištrūktų iš juodosios skylės („ištrūktų į begalybę“), o kitas nukristų už įvykių horizonto į juodąją skylę. Atsargiai padėjus, išbėganti materijos dalis gali turėti didesnę masės energiją nei pradinė, o krintanti jos dalis gauna neigiamą masės energiją. Nors pagreitis išlieka, iš šio proceso galima išgauti daugiau energijos, nei buvo numatyta iš pradžių. Be to, skirtumą suteikia pati juodoji skylė. Dėl to šis procesas šiek tiek sumažina juodosios skylės kampinį impulsą, kuris atitinka energijos perdavimą materijai. Prarastas impulsas savo ruožtu paverčiamas išgaunama energija.
Penrose'o procesas rodo galimybęgauti energiją iš juodosios skylės, tačiau tai nėra geras praktinis metodas. Jo įgyvendinimui būtina, kad dviejų naujagimių dalelių greitis viršytų pusę šviesos greičio. Laukiamas tokių įvykių dažnis yra toks retas, kad neleis gauti reikšmingo energijos kiekio.
Todėl mokslininkai aktyviai ieško kitų mechanizmų.Pavyzdžiui, Stephenas Hawkingas parodė, kad juodosios skylės gali išskirti energiją per šilumos spinduliavimą. Kitas energijos išgavimo būdas yra Blanfordo ir Znaeko procesas, pagrįstas elektromagnetine sąveika.
Luca Comisso iš Kolumbijos universiteto ir Felipe A. Asenjo iš Adolfo Ibanezo universiteto aprašo dar vieną alternatyvą Penrose'o procesui.
Juodąsias skyles supa karšta plazma, dalelėskurie turi magnetinį lauką. Naujo mechanizmo, gaunančio energiją iš besisukančių juodųjų skylių, pagrindas yra magnetinio lauko linijų sujungimas ergosferos viduje. Tokiu atveju juodoji skylė turėtų būti išoriniame magnetiniame lauke, joje turi būti didelis sukimasis (a ~ 1) ir aplinkinė plazma su stipriu įmagnetinimu. Būtinas savybes turi, pavyzdžiui, juodosios skylės, susidariusios dėl ilgų ir trumpų gama spindulių pliūpsnių, ir supermasyvios juodosios skylės aktyviuose galaktikos branduoliuose.
Magnetinis pakartotinis sujungimas pagreitina dalį plazmos įskylės sukimosi kryptį. Kita dalis įsibėgėja priešinga kryptimi ir patenka už įvykio horizonto. Energijos išsiskyrimas, kaip ir Penrose'o mechanizme, įvyksta, jei absorbuota plazma turi neigiamą energiją, o pagreitinta „pabėga“ iš ergosferos. Skirtumas tas, kad susidarant neigiamos energijos dalelėms reikia išsklaidyti magnetinio lauko energiją. Penrose aprašytame procese vaidina tik dalelių inercija.
Kaip sako mokslininkai, aprašyto proceso efektyvumas yra 150procentų. Tai reiškia, kad procesas leidžia jums gauti pusantro karto daugiau energijos, nei jums reikia išleisti jo įgyvendinimui. Pasiekti daugiau nei 100 procentų efektyvumą įmanoma, nes iš ergosferos išsiskyrusios plazmos dalelės nuneša juodosios skylės energiją. Atradus naują energijos išgavimo iš juodųjų skylių mechanizmą, astronomai galės geriau įvertinti savo sukimosi momentą ir suprasti, kaip jie spinduliuoja energiją. Atradimas dar toli gražu nėra praktinis pritaikymas: būtina išsiaiškinti, kaip nuskristi į juodąją skylę ir ką nors įdėti į jos ergosferą, nenukrypstant už įvykio horizonto.
Skaityti daugiau
Saturno mėnulis Titanas nepaprastai panašus į Žemę. Kokius planus tam turi žmonija?
Ramiajame vandenyne daugybė pilkųjų banginių pradeda badauti ir mirti
Trečdalis atsigavusių po COVID-19 grįžta į ligoninę. Kas aštuntas - miršta
Styginių teorija remiasi hipoteze, kad visielementariosios dalelės ir jų pagrindinė sąveika atsiranda dėl vibracijos ir ultramikroskopinių kvantinių stygų sąveikos Plancko ilgio 10–35 m skalėse.