Soorten zwarte gaten
Er zijn vier soorten zwarte gaten op basis van hun massa: stellaire, intermediaire,
Zwarte gaten met een stellaire massa zijn klein maar dodelijk
De Melkweg bevat ongeveer honderd miljoen zwartegaten die zijn ontstaan als gevolg van de ineenstorting van zeer zware sterren. Elk van deze stellaire zwarte gaten weegt ongeveer 10 keer onze zon. Zeer weinig van deze zwarte gaten bevinden zich in de buurt van een gewone ster die langzaam overloopt in een zwart gat. Wanneer dit gas richting het zwarte gat valt, wordt het verwarmd door sterke zwaartekracht en wrijving. Bij een zwart gat bereikt gas een typische temperatuur van 10 miljoen graden Celsius. Deze röntgenbronnen van zwarte gaten zijn gemakkelijk te observeren in de hele Melkweg, evenals in nabijgelegen sterrenstelsels, met behulp van röntgenobservatoria in een baan om de aarde.
Het is opmerkelijk dat elk zwart gat volledigwordt beschreven door slechts twee getallen die de massa en rotatiesnelheid bepalen. We weten niets eenvoudiger dan een elementair deeltje zoals een elektron. CFA-wetenschappers hebben beide fundamentele parameters - massa en spin - gemeten voor meer dan een dozijn stellaire zwarte gaten, waarbij ze alle aspecten van deze zwarte gaten en hun systemen hebben bestudeerd.
Ondanks zijn alomtegenwoordigheid in het universum,zwarte gaten blijven uiterst mysterieuze objecten. We hebben een theorie van de kwantumzwaartekracht nodig die Einsteins relativiteitstheorie uit 1916 combineert met de theorie van de kwantummechanica uit 1926. Zo'n theorie bestaat niet, ondanks decennia van theoretische inspanningen van natuurkundigen die de snaartheorie en anderen bestuderen. De creatie van de theorie van de kwantumzwaartekracht zal de kroon van de natuurkunde worden, vergelijkbaar met de prestaties van Newton, Einstein en andere reuzen.
Medium Mass Black Hole (IMBH) - Vast in het midden
Tussen klassen van stellaire magnitude zwarte gatenEn superzwaar, er moet nog een tussenproduct zijn. In ieder geval volgens de wetten van de logica. Zouden er geen middelgrote zwarte gaten moeten zijn die het verschil maken tussen zwarte gaten met stellaire massa en superzware zwarte gaten? Deze kosmische gemiddelde massa’s, die kunnen variëren van ongeveer 100 tot 1 miljoen zonsmassa’s – hoewel het exacte bereik varieert afhankelijk van wie je het vraagt – worden intermediaire massa zwarte gaten (IMBH’s) genoemd. En hoewel astronomen verspreid over het heelal verschillende overtuigende kandidaten voor IMBH hebben gevonden, is de vraag of ze daadwerkelijk bestaan nog steeds niet opgelost. Het bewijsmateriaal begint zich echter op te stapelen.
Hoewel definitief bewijs van bestaanIMBH blijft ongrijpbaar, met een aantal studies van de afgelopen decennia die intrigerend bewijsmateriaal hebben blootgelegd dat duidt op het bestaan van deze niet erg grote, niet erg kleine zwarte gaten.
Een illustratie van een jong zwart gat, zoals twee verre stofloze quasars die onlangs zijn ontdekt door de Spitzer Space Telescope. (Afbeelding met dank aan NASA / JPL-Caltech)
In 2003 gebruikten onderzoekers bijvoorbeeldESA's XMM-Newton Space Observatory identificeert twee sterke, verschillende röntgenbronnen in het nabije starburst-sterrenstelsel NGC 1313. Omdat zwarte gaten de neiging hebben om met geweld materiaal te verslinden dat te dichtbij komt en hoog spuugt. -energiestraling, ze behoren tot de sterkste bekende bronnen van röntgenstraling. Door de bronnen van röntgenstraling in NGC 1313 te identificeren en te bestuderen hoe ze periodiek opvlammen, waren onderzoekers in 2015 in staat om de massa van een van de veronderstelde zwarte gaten van de melkweg, bekend als NGC 1313 X-1, te beperken. Ze schatten dat dit ongeveer 5.000 keer de massa van de zon is, geven of nemen, wat hem met vertrouwen in het massabereik van een zwart gat met gemiddelde massa plaatst.
Op dezelfde manier ontdekten onderzoekers in 2009nog sterker bewijs voor het bestaan van een middelgroot zwart gat. Op ongeveer 290 miljoen lichtjaar van de rand van sterrenstelsel ESO 243-49 observeerde het team een ongelooflijk heldere röntgenbron genaamd HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), die geen optische tegenhanger heeft. Dit suggereert dat het waargenomen object niet zomaar een ster of sterrenstelsel is. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat de röntgensignatuur van HLX-1 in de loop van de tijd veranderde, wat erop wijst dat het zwarte gat helderder wordt elke keer dat een nabijgelegen ster dichterbij komt, gas aanvoert en korte uitbarstingen van röntgenstraling veroorzaakt die vervolgens langzaam vervagen. weg. Op basis van de helderheid van de waargenomen zonnevlammen berekenden de onderzoekers dat de minimale massa van het zwarte gat ongeveer 500 keer de massa van de zon zou zijn, hoewel sommige schattingen het gewicht dichter bij de 20.000 zonsmassa's schatten.
Momenteel zijn er gravitatiegolfdetectorenLIGO en Maagd hebben samengewerkt om 20 zwarte gaten met stellaire massa te ontdekken die samensmelten tot zwarte gaten met massa's van 20 tot 80 zonsmassa's. Hoewel LIGO-Virgo geen BH's heeft gedetecteerd (meer dan 100 zonsmassa's), zijn onderzoekers optimistisch over hun detectie in de toekomst.
Planck zwart gat (Micro zwart gat)
Een Planck-zwart gat is een hypothetisch zwart gat met de kleinst mogelijke massa, die gelijk is aan de Planck-massa.
De dichtheid van de materie van zo’n zwart gat isongeveer 1094 kg/m³ en is waarschijnlijk de maximaal haalbare massadichtheid. De natuurkunde op zulke schaalniveaus moet beschreven worden door theorieën over de kwantumzwaartekracht die nog niet ontwikkeld zijn. Zo'n object is identiek aan een hypothetisch elementair deeltje met (vermoedelijk) de maximaal mogelijke massa: een maximon.
Planck zwarte gaten worden gekenmerkt door extreemkleine doorsnede van interactie. De kleinheid van de doorsnede voor de interactie van neutrale maximons met materie leidt ertoe dat een significant (of zelfs het grootste) deel van de materie in het heelal op dit moment uit maximons zou kunnen bestaan, zonder dat dit tot een tegenspraak met waarnemingen leidt. In het bijzonder zouden maximons de rol kunnen spelen van onzichtbare materie (donkere materie), waarvan het bestaan momenteel wordt erkend in de kosmologie.
Superzware zwarte gaten - de geboorte van reuzen
Kleine zwarte gaten bewonen het universum, maar hunneven en nichten, superzware zwarte gaten, domineren. Deze enorme zwarte gaten zijn miljoenen of zelfs miljarden keren massiever dan de zon, maar ongeveer even groot in diameter. Aangenomen wordt dat dergelijke zwarte gaten in het centrum van vrijwel elk sterrenstelsel voorkomen, inclusief de Melkweg.
Wetenschappers weten niet zeker hoe zo grootzwarte gaten. Zodra deze reuzen zich hebben gevormd, verzamelen ze een massa stof en gas om zich heen, een materiaal dat overvloedig aanwezig is in het centrum van sterrenstelsels, waardoor ze kunnen uitgroeien tot nog grotere afmetingen.
Superzware zwarte gaten zouden het gevolg kunnen zijnsamensmelting van honderden of duizenden kleine zwarte gaten. Grote gaswolken kunnen ook verantwoordelijk zijn voor hun ineenstorting en snelle massatoename. Of is het de ineenstorting van een sterrenhoop, een groep sterren die samenvallen. Superzware zwarte gaten kunnen ontstaan uit grote opeenhopingen van donkere materie. Dit is een stof die we kunnen waarnemen door zijn zwaartekrachteffect op andere objecten; We weten echter niet waaruit donkere materie bestaat, omdat deze geen licht uitstraalt en niet direct kan worden waargenomen.
Een nieuwe klasse zwarte gaten: ‘supersupermassief’ of enorme zwarte gaten
Dus, zoals we al weten, bevat ons universumenorme zwarte gaten. Het superzware zwarte gat in het centrum van onze melkweg heeft een massa van 4 miljoen zonnen, maar het is vrij klein, net als galactische zwarte gaten. Veel galactische zwarte gaten hebben een massa van een miljard zonsmassa's, en de massa van het grootste bekende zwarte gat wordt geschat op ongeveer 70 miljard zonnen. Maar hoe groot kan een zwart gat zijn?
Om het zwarte gat echt enorm te makenze moet aan het begin van haar leven een grote hoeveelheid van de stof opnemen. Als het langzaam materie opneemt, dan valt het omringende sterrenstelsel op zijn plaats en zal het heelal uitzetten, zodat het zwarte gat niet veel meer materie kan vangen. Maar wanneer een zwart gat snel een grote hoeveelheid materie opslokt, wordt de materie erg heet en heeft het de neiging andere materie af te stoten, waardoor het moeilijk wordt voor het zwarte gat om te groeien.
Gebaseerd op waarnemingen van de grootste zwartengaten en computersimulaties van de vorming van zwarte gaten, wordt aangenomen dat de bovengrens van de massa van galactische zwarte gaten ongeveer 100 miljard zonsmassa's is. Maar nieuw onderzoek suggereert dat de massalimiet veel hoger zou kunnen zijn.
In het werk van wetenschappers wordt opgemerkt dat, hoewelgalactische zwarte gaten hebben waarschijnlijk een zonnemassa van honderden miljarden; grotere zwarte gaten kunnen onafhankelijk zijn gevormd in de vroege stadia van het universum. Deze oorspronkelijke zwarte gaten kunnen meer dan een miljoen keer zo zwaar zijn als de grootste galactische zwarte gaten. Het onderzoeksteam noemt ze ongelooflijk grote zwarte gaten of SLAB's (ontzagwekkend grote zwarte gaten).
Het idee van oerzwarte gaten bestaat al heel lang.Ze zijn voorgesteld als een oplossing voor alles, van donkere materie tot waarom we nog geen hypothetische negende planeet in ons zonnestelsel hebben ontdekt. Maar theoretische modellen suggereren dat oerzwarte gaten veel kleiner zouden zijn dan zelfs zwarte gaten met stellaire massa die zijn gevormd door kleine dichtheidsschommelingen in het vroege universum. Maar deze nieuwe studie suggereert dat donkere materie en andere factoren bij sommigen een enorme groei kunnen veroorzaken.
Als het vroege universum rijk was aan duisternismaterie, in het bijzonder een vorm van donkere materie die bekend staat als zwak interacterende massieve deeltjes (WIMP), dan zou het oorspronkelijke zwarte gat donkere materie kunnen consumeren om snel te groeien. Omdat donkere materie geen sterke wisselwerking heeft met licht, zal ingesloten donkere materie niet veel licht of warmte uitzenden om de groeisnelheid te vertragen. Als gevolg hiervan hadden deze zwarte gaten enorm kunnen zijn, zelfs voordat het universum afkoelde en melkwegstelsels werden gevormd. De bovengrens voor massa voor SLAB hangt af van hoe de WIMP donkere materie met zichzelf interageert, dus als we SLAB's detecteren, kan dit ons helpen donkere materie te begrijpen.
Hoe kan de mensheid zwarte gaten gebruiken?
De relativiteitstheorie voorspelt datdraaiende zwarte gaten kunnen worden gebruikt als energiebronnen. In 1969 beschreef Roger Penrose een proces om dit te doen. Er is een ergosfeer rond de roterende zwarte gaten - het gebied dat voorafgaat aan de waarnemingshorizon. Alle lichamen in de ergosfeer draaien samen met het zwarte gat.
Penrose-proces (ook wel mechanisme genoemdPenrose) beschouwt zwarte gaten theoretisch als een middel om energie te extraheren. Een dergelijke extractie kan plaatsvinden als de rotatie-energie van het zwarte gat zich niet binnen de waarnemingshorizon bevindt, maar daarbuiten – in het gebied van de Kerr-ruimtetijd. In deze ergosfeer beweegt elk deeltje noodzakelijkerwijs tegelijkertijd in een voortbewegingsmodus met de roterende ruimte-tijd, d.w.z. alle voorwerpen daarin worden erdoor meegesleept. In dit geval wordt een stukje materie dat de ergosfeer binnenkomt in twee delen gesplitst. Materie kan bijvoorbeeld bestaan uit twee delen die van elkaar worden gescheiden door het afvuren van een explosief of een raket die de helften uit elkaar duwt. Het momentum van twee stukken materie wanneer ze zich scheiden, kan zo worden geregeld dat het ene stuk uit het zwarte gat ontsnapt (het "naar het oneindige is gegaan") en het andere voorbij de waarnemingshorizon in het zwarte gat valt. Als het zorgvuldig wordt geplaatst, kan het ontsnappende deel van de materie een grotere massa-energie hebben dan het oorspronkelijke, terwijl het vallende deel ervan negatieve massa-energie ontvangt. Hoewel het momentum behouden blijft, is het effect dat er meer energie uit dit proces gehaald kan worden dan oorspronkelijk de bedoeling was. Bovendien wordt het verschil veroorzaakt door het zwarte gat zelf. Het proces resulteert dus in een lichte afname van het impulsmoment van het zwarte gat, wat overeenkomt met een overdracht van energie naar materie. De verloren impuls wordt op zijn beurt omgezet in onttrokken energie.
Het Penrose-proces geeft de mogelijkheid aanenergie halen uit een zwart gat, maar het is geen goede praktische methode. Voor de implementatie is het noodzakelijk dat twee pasgeboren deeltjes een snelheid hebben die de helft van de lichtsnelheid overschrijdt. De verwachte frequentie van dergelijke gebeurtenissen is zo zeldzaam dat er geen aanzienlijke hoeveelheid energie kan worden verkregen.
Daarom zijn wetenschappers actief op zoek naar andere mechanismen.Stephen Hawking toonde bijvoorbeeld aan dat zwarte gaten energie kunnen afgeven door warmtestraling. Een andere manier om energie te winnen is het Blanford-Znaek-proces, gebaseerd op elektromagnetische interactie.
Luca Comisso van Columbia University en Felipe A. Asenjo van Adolfo Ibanez University beschrijven in hun artikel een ander alternatief voor het Penrose-proces.
Zwarte gaten zijn omgeven door heet plasma, deeltjesdie een magnetisch veld hebben. De basis van een nieuw mechanisme voor het verkrijgen van energie uit roterende zwarte gaten is het opnieuw verbinden van magnetische veldlijnen in de ergosfeer. In dit geval moet het zwarte gat zich in een extern magnetisch veld bevinden, een grote spin hebben (a ~ 1) en het omringende plasma met sterke magnetisatie. De noodzakelijke eigenschappen zijn bijvoorbeeld in het bezit van zwarte gaten die worden gevormd als gevolg van lange en korte gammastraaluitbarstingen en superzware zwarte gaten in actieve galactische kernen.
Magnetische herverbinding versnelt een deel van het plasma inde draairichting van het gat. Het andere deel versnelt in tegengestelde richting en valt voorbij de waarnemingshorizon. Het vrijkomen van energie, zoals bij het Penrose-mechanisme, vindt plaats als het geabsorbeerde plasma negatieve energie heeft, en het versnelde plasma 'ontsnapt' uit de ergosfeer. Het verschil is dat de vorming van deeltjes met negatieve energie dissipatie van de energie van het magnetische veld vereist. Bij het door Penrose beschreven proces speelt alleen de traagheid van de deeltjes een rol.
Zoals wetenschappers zeggen, is de efficiëntie van het beschreven proces 150procent. Dit betekent dat u met het proces anderhalf keer meer energie kunt krijgen dan u aan de implementatie ervan moet besteden. Het behalen van een efficiëntie van meer dan 100 procent is mogelijk, omdat plasmadeeltjes die vrijkomen uit de ergosfeer de energie van het zwarte gat afvoeren. De ontdekking van een nieuw mechanisme om energie uit zwarte gaten te halen, stelt astronomen in staat hun rotatiemoment beter in te schatten en te begrijpen hoe ze energie uitstralen. De ontdekking is nog verre van praktische toepassing: het is nodig om erachter te komen hoe je naar het zwarte gat kunt vliegen en iets in zijn ergosfeer kunt plaatsen zonder buiten de waarnemingshorizon te vallen.
Lees verder
Saturnusmaan Titan lijkt opmerkelijk veel op de aarde. Welke plannen heeft de mensheid ermee?
Grote aantallen grijze walvissen beginnen te verhongeren en sterven in de Stille Oceaan
Een derde van degenen die hersteld zijn van COVID-19 keert terug naar het ziekenhuis. Elke achtste - sterft
Snaartheorie is gebaseerd op de hypothese dat alleselementaire deeltjes en hun fundamentele interacties ontstaan als gevolg van trillingen en interacties van ultramicroscopische kwantumstrings op schalen in de orde van de Planck-lengte van 10−35 m