Melno caurumu veidi
Ir četri melno caurumu veidi, pamatojoties uz to masu: zvaigžņu, starpposma,
Zvaigžņu masas melnie caurumi ir mazi, bet nāvējoši
Piena ceļš satur apmēram simtu miljonu melnucaurumi, kas izveidojās ļoti masīvu zvaigžņu sabrukšanas rezultātā. Katrs no šiem zvaigžņu melnajiem caurumiem sver apmēram 10 reizes vairāk nekā mūsu Saule. Tikai daži no šiem melnajiem caurumiem atrodas tiešā tuvumā parastajai zvaigznei, kas lēnām izplūst melnajā caurumā. Kad šī gāze nokrīt melnā cauruma virzienā, to silda spēcīga gravitācija un berze. Netālu no melnā cauruma gāze sasniedz tipisko temperatūru 10 miljoni grādu pēc Celsija. Šie rentgenstaru avoti no melnajiem caurumiem ir viegli novērojami visā Piena ceļā, kā arī tuvējās galaktikās, izmantojot orbītā esošās rentgena observatorijas.
Jāatzīmē, ka jebkura melnā bedre ir pilnībā izveidojusiesir aprakstīts tikai ar diviem skaitļiem, kas nosaka tā masu un rotācijas ātrumu. Mēs nezinām neko vienkāršāku par elementāru daļiņu, piemēram, elektronu. CFA zinātnieki ir izmērījuši abus šos pamatparametrus - masu un griešanos - vairāk nekā divpadsmit zvaigžņu melnajiem caurumiem, pētot visus šo melno caurumu aspektus un to sistēmas.
Neskatoties uz visuresamību Visumā,melnie caurumi paliek ārkārtīgi noslēpumaini objekti. Mums nepieciešama kvantu gravitācijas teorija, kas apvieno Einšteina 1916. gada relativitātes teoriju ar 1926. gada kvantu mehānikas teoriju. Šāda teorija nepastāv, neskatoties uz fiziķu gadu desmitiem ilgiem teorētiskiem centieniem, kuri studē stīgu teoriju un citus. Kvantu gravitācijas teorijas izveide kļūs par fizikas vainagu kopā ar Ņūtona, Einšteina un citu milžu sasniegumiem.
Vidēja masas melna caurums (IMBH) - iestrēdzis vidū
Starp zvaigžņu lieluma melno caurumu klasēmUn supermasīvajam ir jābūt vēl vienam starpposmam. Jebkurā gadījumā pēc loģikas likumiem. Vai nevajadzētu būt vidēja izmēra melnajiem caurumiem, kas atšķir zvaigžņu masas melnos caurumus un supermasīvos melnos caurumus? Šīs kosmiskās vidējās masas, kas var svārstīties no aptuveni 100 līdz 1 miljonam Saules masu, lai gan precīzs diapazons mainās atkarībā no tā, kam jūs jautājat, sauc par vidējas masas melno caurumu caurumiem, IMBH. Un, lai gan astronomi ir atraduši vairākus pārliecinošus IMBH kandidātus, kas izkaisīti visā Visumā, jautājums par to, vai tie patiešām pastāv, joprojām nav atrisināts. Tomēr pierādījumi sāk uzkrāties.
Kaut arī galīgs eksistences pierādījumsIMBH joprojām nav uztverams, un pēdējos gadu desmitos vairāki pētījumi atklāja intriģējošus pierādījumus, kas norāda uz šo ne pārāk lielo, ne ļoti mazo melno caurumu esamību.
Jauna melnā cauruma ilustrācija, piemēram, divi tālu bezputekļu kvazāri, kurus nesen atklāja Spicera kosmosa teleskops. (Attēla pieklājība no NASA / JPL-Caltech)
Piemēram, 2003. gadā pētnieki to izmantojaESA kosmosa observatorija XMM-Newton, lai identificētu divus spēcīgus, atšķirīgus rentgenstaru avotus blakus esošajā zvaigznīšu galaktikā NGC 1313. Tā kā melnie caurumi mēdz vardarbīgi apēst materiālu, kas nonāk pārāk tuvu un izplūst augstu. -enerģijas starojums, tie ir vieni no spēcīgākajiem zināmajiem rentgena starojuma avotiem. Identificējot rentgenstaru avotus NGC 1313 un pētot, kā tie periodiski uzliesmo, pētnieki 2015. gadā varēja ierobežot viena no domājamajiem galaktikas melnajiem caurumiem, kas pazīstami kā NGC 1313 X-1, masu. Viņi lēš, ka tā ir aptuveni 5000 reižu lielāka par Saules doto vai paņemto masu, kas to droši liek starpposma masas melnā cauruma masas diapazonā.
Līdzīgi 2009. gadā pētnieki atklājavēl spēcīgāki pierādījumi vidēja izmēra melnā cauruma esamībai. Komanda, kas atrodas aptuveni 290 miljonu gaismas gadu attālumā no galaktikas ESO 243-49 malas, novēroja neticami spilgtu rentgenstaru avotu, ko sauc par HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), kuram nav optiska līdzinieka. Tas liek domāt, ka novērotais objekts nav tikai zvaigzne vai galaktika. Turklāt pētnieki atklāja, ka HLX-1 rentgenstaru signāls laika gaitā mainījās, liekot domāt, ka melnais caurums kļūst spožāks katru reizi, kad tuvumā esošā zvaigzne pietuvojas tam, barojot gāzi un izraisot īsus rentgena staru uzliesmojumus, kas pēc tam lēnām izgaist. prom. Pamatojoties uz novēroto uzliesmojumu spilgtumu, pētnieki aprēķināja, ka melnā cauruma minimālā masa ir aptuveni 500 reižu lielāka par Saules masu, lai gan daži aprēķini liecina, ka tā svars ir tuvāks 20 000 Saules masu.
Pašlaik gravitācijas viļņu detektoriLIGO un Jaunava ir apvienojušās, lai atklātu 20 zvaigžņu masas melnos caurumus, kas saplūst, veidojot melnos caurumus ar masu no 20 līdz 80 saules masām. Lai gan LIGO-Virgo nav atklājis nevienu BH (vairāk nekā 100 saules masas), pētnieki optimistiski vērtē to atklāšanu nākotnē.
Planck melnā caurums (mikro melnā caurums)
Plankas melnais caurums ir hipotētisks melnais caurums ar mazāko iespējamo masu, kas ir vienāds ar Plankas masu.
Šāda melnā cauruma matērijas blīvums iraptuveni 1094 kg/m³ un, iespējams, ir maksimālais sasniedzamais masas blīvums. Fizika šādos mērogos ir jāapraksta ar kvantu gravitācijas teorijām, kas vēl nav izstrādātas. Šāds objekts ir identisks hipotētiskai elementārdaļiņai ar (domājams) maksimālo iespējamo masu - maksimonu.
Plankas melnajiem caurumiem raksturīgs ārkārtīgimazs mijiedarbības šķērsgriezums. Šķērsgriezuma mazums neitrālu maksimonu mijiedarbībai ar matēriju noved pie tā, ka ievērojama (vai pat galvenā) matērijas daļa Visumā šobrīd varētu sastāvēt no maksimoniem, neradot pretrunu ar novērojumiem. Konkrēti, maksimoni varētu spēlēt neredzamās matērijas (tumšās matērijas) lomu, kuras eksistence šobrīd ir atzīta kosmoloģijā.
Supermasīvie melnie caurumi - milzu dzimšana
Mazie melnie caurumi apdzīvo Visumu, bet viņudominē brālēni, supermasīvie melnie caurumi. Šīs milzīgās melnās bedrītes ir miljoniem vai pat miljardiem reižu masīvākas nekā Saule, bet diametrā ir aptuveni vienādas. Tiek uzskatīts, ka šādi melnie caurumi atrodas praktiski katras galaktikas centrā, ieskaitot Piena ceļu.
Zinātnieki nav pārliecināti, cik tik lielimelnie caurumi. Kad šie milži ir izveidojušies, tie ap sevi savāc putekļu un gāzes masu, materiālu, kas ir daudz galaktiku centrā, ļaujot tiem izaugt vēl lielākiem.
Rezultāts varētu būt supermasīvi melnie caurumisimtiem vai tūkstošiem sīku melno caurumu apvienošanās. Lieli gāzes mākoņi var izraisīt arī to sabrukumu un strauju masas pieaugumu. Vai arī tas ir zvaigžņu kopas sabrukums, zvaigžņu grupa, kas sakrīt kopā. Supermasīvi melnie caurumi var rasties no lielas tumšās vielas uzkrāšanās. Šī ir viela, ko mēs varam novērot, izmantojot tās gravitācijas ietekmi uz citiem objektiem; tomēr mēs nezinām, no kā sastāv tumšā matērija, jo tā neizstaro gaismu un to nevar tieši novērot.
Jauna melno caurumu klase — “supermasīvie” jeb milzīgi melnie caurumi
Tātad, kā mēs jau zinām, mūsu Visums saturmilzīgas melnās bedrītes. Supermasīvā melnā cauruma, kas atrodas mūsu galaktikas centrā, masa ir 4 miljoni Saules, taču tas ir diezgan mazs, tāpat kā galaktiskie melnie caurumi. Daudzu galaktisko melno caurumu masa ir viens miljards Saules masu, un tiek lēsts, ka masīvākā zināmā melnā cauruma masa ir aptuveni 70 miljardi saules. Bet cik liela var būt melnā caurums?
Lai padarītu melno caurumu patiešām masveidadzīves sākumā viņai jāuzņem liels daudzums vielas. Ja tas lēnām patērē matēriju, apkārtējā galaktika nostāsies savās vietās, un Visums paplašināsies, tā ka melnais caurums nespēs notvert daudz vairāk matērijas. Bet, kad melnā caurums ātri pārņem lielu vielas daudzumu, matērija kļūst ļoti karsta un mēdz atgrūst citas vielas, apgrūtinot melnā cauruma augšanu.
Pamatojoties uz lielāko melno novērojumiemcaurumiem un melno caurumu veidošanās datorsimulācijām, tiek uzskatīts, ka galaktisko melno caurumu masas augšējā robeža ir aptuveni 100 miljardi Saules masu. Bet jaunie pētījumi liecina, ka masas ierobežojums varētu būt daudz lielāks.
Zinātnieku darbs atzīmē, ka, lai arīgalaktikas melnajiem caurumiem saules masas ierobežojums, iespējams, ir simtiem miljardu; lielāki melnie caurumi, iespējams, ir izveidojušies neatkarīgi Visuma sākumposmā. Šie pirmatnējie melnie caurumi var vairāk nekā miljonu reižu pārsniegt lielāko galaktisko melno caurumu masu. Pētnieku grupa tos sauc par neticami lieliem melnajiem caurumiem vai SLAB (ārkārtīgi lieliem melnajiem caurumiem).
Ideja par pirmatnējiem melnajiem caurumiem ir bijusi jau ilgu laiku.Tie ir piedāvāti kā risinājums visam, sākot no tumšās matērijas līdz tam, kāpēc mēs savā Saules sistēmā vēl neesam atklājuši hipotētisku devīto planētu. Bet teorētiskie modeļi liecina, ka pirmatnējie melnie caurumi būtu daudz mazāki nekā pat zvaigžņu masas melnie caurumi, kas veidojas no niecīgām blīvuma svārstībām agrīnā Visumā. Bet šis jaunais pētījums liecina, ka tumšā viela un citi faktori dažos no tiem var izraisīt kolosālu augšanu.
Ja agrīnajā Visumā bija daudz tumsasviela, it īpaši tumšās vielas forma, kas pazīstama kā vāji mijiedarbojošās masīvās daļiņas (WIMP), tad pirmatnējais melnais caurums varētu patērēt tumšo vielu, lai strauji augtu. Tā kā tumšā viela stipri nesadarbojas ar gaismu, ieslodzītā tumšā viela neizdalīs daudz gaismas vai siltuma, lai palēninātu tās augšanas ātrumu. Rezultātā šie melnie caurumi varēja būt milzīgi pat pirms Visuma atdzišanas un galaktiku veidošanās. SLAB augšējā masas robeža būs atkarīga no tā, kā WIMP tumšā viela mijiedarbojas ar sevi, tāpēc, ja mēs atklājam kādas SLAB, tas varētu mums palīdzēt saprast tumšo vielu.
Kā cilvēce var izmantot melnos caurumus?
Relativitātes teorija to paredzrotējošos melnos caurumus var izmantot kā enerģijas avotus. 1969. gadā Rodžers Penrouzs aprakstīja procesu, kā to izdarīt. Ap rotējošajiem melnajiem caurumiem ir ergosfēra - reģions, kas atrodas pirms notikumu horizonta. Visi ķermeņi ergosfērā griežas ar melno caurumu.
Penrose process (saukts arī par mehānismuPenrose) teorētiski uzskata melnos caurumus kā enerģijas ieguves līdzekli. Šāda ekstrakcija var notikt, ja melnā cauruma rotācijas enerģija neatrodas notikumu horizonta iekšpusē, bet gan ārpusē - Kerra laiktelpas reģionā. Šajā ergosfērā jebkura daļiņa obligāti pārvietojas lokomotīves režīmā vienlaikus ar rotējošu telpa-laiku, t.i. visus tur esošos priekšmetus tas aiznes. Šajā gadījumā vielas gabals, kas nonāk ergosfērā, tiek sadalīts divās daļās. Piemēram, viela var sastāvēt no divām daļām, kuras tiek atdalītas, izšaujot sprāgstvielu vai raķeti, kas izstumj tās puses. Divu matērijas gabalu impulsu, kad tie atdalās, var sakārtot tā, lai viens gabals izkļūtu no melnā cauruma (tas "izkļūtu līdz bezgalībai"), bet otrs nokrīt aiz notikumu horizonta un nonāk melnajā caurumā. Rūpīgi novietojot, vielas izplūstošajai daļai var būt lielāka masas enerģija nekā sākotnējai, savukārt tās krītošā daļa saņem negatīvu masas enerģiju. Lai gan impulss tiek saglabāts, rezultāts ir tāds, ka no šī procesa var iegūt vairāk enerģijas, nekā sākotnēji bija paredzēts. Turklāt atšķirību nodrošina pats melnais caurums. Tādējādi šī procesa rezultātā nedaudz samazinās melnā cauruma leņķiskais impulss, kas atbilst enerģijas pārnešanai uz vielu. Savukārt zaudētais impulss tiek pārvērsts iegūtajā enerģijā.
Penrose process norāda uz iespējuenerģijas iegūšana no melnā cauruma, taču tā nav laba praktiska metode. Tā īstenošanai ir nepieciešams, lai divām jaundzimušajām daļiņām ātrums pārsniedz pusi no gaismas ātruma. Paredzamais šādu notikumu biežums ir tik rets, ka tas neļaus iegūt ievērojamu enerģijas daudzumu.
Tāpēc zinātnieki aktīvi meklē citus mehānismus.Piemēram, Stīvens Hokings parādīja, ka melnie caurumi var atbrīvot enerģiju, izmantojot termisko starojumu. Vēl viens enerģijas iegūšanas veids ir Blanforda-Znaeka process, kura pamatā ir elektromagnētiskā mijiedarbība.
Luka Komisso no Kolumbijas universitātes un Felipe A. Asenjo no Adolfo Ibanesa universitātes savā rakstā apraksta vēl vienu alternatīvu Penrose procesam.
Melnos caurumus ieskauj karsta plazma, daļiņaskuriem ir magnētiskais lauks. Jaunā mehānisma pamatā enerģijas iegūšanai no rotējošiem melnajiem caurumiem ir magnētiskā lauka līniju atkārtota savienošana ergosfērā. Šajā gadījumā melnajam caurumam jābūt ārējā magnētiskajā laukā, tam jābūt lielam griezienam (a ~ 1) un apkārtējai plazmai ar spēcīgu magnetizāciju. Piemēram, melnajiem caurumiem, kas izveidojušies ilgu un īsu gamma staru pārrāvumu rezultātā, un supermasīvajiem melnajiem caurumiem aktīvajos galaktikas kodolos piemīt nepieciešamās īpašības.
Magnētiskā atkārtota savienošana paātrina daļu no plazmasurbuma rotācijas virziens. Otra daļa paātrinās pretējā virzienā un iziet ārpus notikumu horizonta. Enerģijas izdalīšanās, tāpat kā Penrose mehānismā, notiek, ja absorbētajai plazmai ir negatīva enerģija, un paātrinātā "izplūst" no ergosfēras. Atšķirība ir tāda, ka daļiņu veidošanās ar negatīvu enerģiju prasa magnētiskā lauka enerģijas izkliedēšanu. Penrose aprakstītajā procesā lomu spēlē tikai daļiņu inerce.
Kā saka zinātnieki, aprakstītā procesa efektivitāte ir 150procenti. Tas nozīmē, ka process ļauj iegūt pusotru reizi vairāk enerģijas, nekā nepieciešams tērēt tā īstenošanai. Ir iespējams sasniegt vairāk nekā 100 procentu efektivitāti, jo no ergosfēras izdalītās plazmas daļiņas aiznes melnā cauruma enerģiju. Jauna mehānisma atklāšana enerģijas iegūšanai no melnajiem caurumiem ļaus astronomiem labāk novērtēt savu rotācijas impulsu un saprast, kā tie izstaro enerģiju. Atklājums joprojām ir tālu no praktiskā pielietojuma: ir jāizdomā, kā aizlidot līdz melnajam caurumam un kaut ko ievietot tā ergosfērā, neizkļūstot ārpus notikuma horizonta.
Lasīt vairāk
Saturna pavadonis Titāns ir ļoti līdzīgs Zemei. Kādi plāni cilvēcei ir par to?
Klusajā okeānā liels skaits pelēko vaļu sāk badoties un iet bojā
Trešdaļa no tiem, kuri ir atveseļojušies pēc COVID-19, atgriežas slimnīcā. Katru astoto - nomirst
Stīgu teorija balstās uz hipotēzi, ka visielementārdaļiņas un to fundamentālā mijiedarbība rodas vibrāciju un ultramikroskopisko kvantu virkņu mijiedarbības rezultātā uz skalām, kuru kārtas lielums ir Planck garums 10–35 m.