Rodzaje czarnych dziur
Istnieją cztery typy czarnych dziur w zależności od ich masy: gwiazdowe, pośrednie,
Czarne dziury o masach gwiazdowych są małe, ale zabójcze
Droga Mleczna zawiera około stu milionów czernidziury, które powstały w wyniku zapadnięcia się bardzo masywnych gwiazd. Każda z tych gwiazdowych czarnych dziur waży około 10 razy więcej niż Słońce. Bardzo niewiele z tych czarnych dziur znajduje się blisko zwykłej gwiazdy, która powoli przenika do czarnej dziury. Kiedy gaz ten opada w kierunku czarnej dziury, jest podgrzewany przez silną grawitację i tarcie. W pobliżu czarnej dziury gaz osiąga typową temperaturę 10 milionów stopni Celsjusza. Te źródła promieniowania rentgenowskiego z czarnych dziur można łatwo obserwować w całej Drodze Mlecznej, a także w pobliskich galaktykach, przy użyciu orbitujących obserwatoriów rentgenowskich.
Warto zauważyć, że każda czarna dziura jest całkowicieopisują tylko dwie liczby określające jego masę i prędkość obrotową. Nie znamy nic prostszego niż cząstka elementarna, taka jak elektron. Naukowcy z CFA zmierzyli oba te podstawowe parametry - masę i spin - dla kilkunastu gwiazdowych czarnych dziur, badając wszystkie aspekty tych czarnych dziur i ich układów.
Pomimo swojej wszechobecności we wszechświecie,czarne dziury pozostają niezwykle tajemniczymi obiektami. Potrzebujemy teorii grawitacji kwantowej, która połączy teorię względności Einsteina z 1916 roku z teorią mechaniki kwantowej z 1926 roku. Taka teoria nie istnieje, pomimo dziesięcioleci wysiłków teoretycznych fizyków badających teorię strun i innych. Stworzenie teorii grawitacji kwantowej stanie się koroną fizyki na równi z dokonaniami Newtona, Einsteina i innych gigantów.
Czarna dziura o średniej masie (IMBH) - utknęła w środku
Pomiędzy klasami czarnych dziur o wielkości gwiazdowejA supermasywny musi być jeszcze jeden pośredni. W każdym razie zgodnie z prawami logiki. Czy nie powinny istnieć średniej wielkości czarne dziury, które odróżniają czarne dziury o masach gwiazdowych od supermasywnych czarnych dziur? Te kosmiczne średnie masy, które mogą wahać się od około 100 do 1 miliona mas Słońca – chociaż dokładny zakres różni się w zależności od tego, kogo spytasz – nazywane są czarnymi dziurami o masie pośredniej, IMBH. I chociaż astronomowie znaleźli kilku przekonujących kandydatów na IMBH rozproszonych po całym Wszechświecie, kwestia, czy faktycznie istnieją, pozostaje nierozwiązana. Jednak dowody zaczynają się gromadzić.
Chociaż ostateczny dowód istnieniaIMBH pozostaje nieuchwytny, a wiele badań przeprowadzonych w ciągu ostatnich kilku dekad odkryło intrygujące dowody wskazujące na istnienie tych niezbyt dużych, niezbyt małych czarnych dziur.
Ilustracja przedstawiająca młodą czarną dziurę, na przykład dwa odległe, bezpyłowe kwazary niedawno odkryte przez Kosmiczny Teleskop Spitzera. (Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA / JPL-Caltech)
Na przykład w 2003 roku badacze użyliObserwatorium Kosmiczne XMM-Newton ESA w celu zidentyfikowania dwóch silnych, odrębnych źródeł promieniowania rentgenowskiego w pobliskiej galaktyce wybuchowej NGC 1313. Ponieważ czarne dziury mają tendencję do gwałtownego pożerania materii, która jest zbyt blisko i wypluwa wysoko. -energetyczne, należą do najsilniejszych znanych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Identyfikując źródła promieni rentgenowskich w NGC 1313 i badając ich okresowe rozbłyski, w 2015 roku naukowcy byli w stanie ograniczyć masę jednej z rzekomych czarnych dziur w galaktyce znanej jako NGC 1313 X-1. Szacują, że jest to około 5000 razy większa od masy Słońca, co daje lub bierze, co daje pewność w zakresie mas czarnej dziury o pośredniej masie.
Podobnie w 2009 roku odkryli naukowcyjeszcze mocniejszy dowód na istnienie średniej wielkości czarnej dziury. Znajdujące się około 290 milionów lat świetlnych od krawędzi galaktyki ESO 243-49 zespół zaobserwował niezwykle jasne źródło promieniowania rentgenowskiego zwane HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), które nie ma optycznego odpowiednika. Sugeruje to, że obserwowany obiekt to nie tylko gwiazda czy galaktyka. Ponadto naukowcy odkryli, że sygnatura rentgenowska HLX-1 zmieniała się z biegiem czasu, co sugeruje, że czarna dziura staje się jaśniejsza za każdym razem, gdy zbliża się do niej pobliska gwiazda, zasilając gaz i powodując krótkie rozbłyski promieni rentgenowskich, które następnie powoli zanikają. z dala. Na podstawie jasności zaobserwowanych rozbłysków naukowcy obliczyli minimalną masę czarnej dziury na około 500 mas Słońca, chociaż według niektórych szacunków jej masa jest bliższa 20 000 mas Słońca.
Obecnie detektory fal grawitacyjnychLIGO i Virgo połączyli siły, aby odkryć 20 czarnych dziur o masach gwiazdowych, które łączą się, tworząc czarne dziury o masach od 20 do 80 mas Słońca. Chociaż LIGO-Virgo nie wykrył żadnych BH (więcej niż 100 mas Słońca), naukowcy są optymistycznie nastawieni do ich wykrywania w przyszłości.
Czarna dziura Plancka (mikro czarna dziura)
Czarna dziura Plancka to hipotetyczna czarna dziura o najmniejszej możliwej masie, która jest równa masie Plancka.
Gęstość materii takiej czarnej dziury wynosiokoło 1094 kg/m3 i jest prawdopodobnie maksymalną osiągalną gęstością masy. Fizykę w takich skalach trzeba opisywać teoriami grawitacji kwantowej, które nie zostały jeszcze opracowane. Taki obiekt jest identyczny z hipotetyczną cząstką elementarną o (prawdopodobnie) maksymalnej możliwej masie – maksimonem.
Czarne dziury Plancka charakteryzują się niezwyklemały przekrój interakcji. Niewielki przekrój na oddziaływanie maksymonów neutralnych z materią prowadzi do tego, że znacząca (lub nawet główna) część materii we Wszechświecie w obecnym czasie może składać się z maksymonów, nie prowadząc do sprzeczności z obserwacjami. W szczególności maksymony mogłyby odgrywać rolę niewidzialnej materii (ciemnej materii), której istnienie jest obecnie uznawane w kosmologii.
Supermasywne czarne dziury - narodziny gigantów
Wszechświat zamieszkują małe czarne dziury, ale ichdominują kuzyni, supermasywne czarne dziury. Te ogromne czarne dziury są miliony, a nawet miliardy razy masywniejsze niż Słońce, ale mają mniej więcej taką samą średnicę. Uważa się, że takie czarne dziury znajdują się w centrum praktycznie każdej galaktyki, w tym Drogi Mlecznej.
Naukowcy nie są pewni, jak dużeczarne dziury. Gdy te giganty uformują się, zbierają wokół siebie masę pyłu i gazu, materiału obfitującego w centrum galaktyk, co pozwala im rosnąć do jeszcze większych rozmiarów.
Rezultatem mogą być supermasywne czarne dziuryfuzji setek lub tysięcy maleńkich czarnych dziur. Duże chmury gazu mogą być również odpowiedzialne za ich zapadanie się i szybki wzrost masy. A może jest to upadek gromady gwiazd, grupy gwiazd spadających razem. Supermasywne czarne dziury mogą powstawać w wyniku dużych nagromadzeń ciemnej materii. Jest to substancja, którą możemy obserwować poprzez jej oddziaływanie grawitacyjne na inne obiekty; nie wiemy jednak, z czego zbudowana jest ciemna materia, ponieważ nie emituje światła i nie można jej bezpośrednio obserwować.
Nowa klasa czarnych dziur – „supersupermasywne” lub ogromne czarne dziury
Tak więc, jak już wiemy, nasz Wszechświat zawieraogromne czarne dziury. Supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki ma masę 4 milionów Słońc, ale jest dość mała, jak galaktyczne czarne dziury. Wiele galaktycznych czarnych dziur ma masę miliarda mas Słońca, a masę najbardziej masywnej znanej czarnej dziury szacuje się na około 70 miliardów słońc. Ale jak duża może być czarna dziura?
Aby czarna dziura była naprawdę masywnamusi wchłonąć dużą ilość substancji na początku swojego życia. Jeśli powoli konsumuje materię, to otaczająca ją galaktyka układa się na swoim miejscu, a wszechświat rozszerza się, tak że czarna dziura nie może wychwycić znacznie więcej materii. Ale kiedy czarna dziura szybko pochłania dużą ilość materii, staje się ona bardzo gorąca i ma tendencję do odpychania innej materii, co utrudnia jej wzrost.
Na podstawie obserwacji największych czarnychdziur i symulacji komputerowych powstawania czarnych dziur, uważa się, że górna granica masy galaktycznych czarnych dziur wynosi około 100 miliardów mas Słońca. Jednak nowe badania sugerują, że limit masy może być znacznie wyższy.
W pracy naukowców zauważa się, że chociażgalaktyczne czarne dziury prawdopodobnie mają granicę masy Słońca wynoszącą setki miliardów, większe czarne dziury mogły powstawać niezależnie we wczesnych stadiach wszechświata. Te pierwotne czarne dziury mogą mieć masę ponad milion razy większą od największych galaktycznych czarnych dziur. Zespół badawczy nazywa je niewiarygodnie dużymi czarnymi dziurami lub SLAB (zdumiewająco dużymi czarnymi dziurami).
Idea pierwotnych czarnych dziur istnieje od dawna.Zaproponowano je jako rozwiązanie wszystkiego, od ciemnej materii po to, dlaczego nie odkryliśmy jeszcze hipotetycznej dziewiątej planety w naszym Układzie Słonecznym. Jednak modele teoretyczne sugerują, że pierwotne czarne dziury byłyby znacznie mniejsze niż nawet czarne dziury o masach gwiazdowych powstałe w wyniku niewielkich fluktuacji gęstości we wczesnym Wszechświecie. Ale to nowe badanie sugeruje, że ciemna materia i inne czynniki mogą powodować kolosalny wzrost niektórych z nich.
Jeśli wczesny wszechświat był bogaty w ciemnośćmaterii, szczególnie ciemnej materii, znanej jako słabo oddziałujące masywne cząstki (WIMP), wówczas pierwotna czarna dziura mogłaby pochłonąć ciemną materię, aby szybko rosnąć. Ponieważ ciemna materia nie oddziałuje silnie ze światłem, uwięziona ciemna materia nie będzie emitować dużo światła ani ciepła, aby spowolnić tempo jej wzrostu. W rezultacie te czarne dziury mogły być ogromne, jeszcze zanim Wszechświat ostygł i uformowały się galaktyki. Górna granica masy dla SLAB będzie zależeć od tego, jak ciemna materia WIMP oddziałuje ze sobą, więc jeśli wykryjemy jakiekolwiek SLAB, może to pomóc nam zrozumieć ciemną materię.
Jak ludzkość może wykorzystać czarne dziury?
Przewiduje to teoria względnościwirujące czarne dziury mogą służyć jako źródła energii. W 1969 roku Roger Penrose opisał proces umożliwiający to. Wokół obracających się czarnych dziur znajduje się ergosfera - obszar poprzedzający horyzont zdarzeń. Wszystkie ciała w ergosferze obracają się wraz z czarną dziurą.
Proces Penrose'a (zwany także mechanizmemPenrose) teoretycznie postrzega czarne dziury jako sposób na pozyskiwanie energii. Taka ekstrakcja może nastąpić, jeśli energia rotacyjna czarnej dziury nie jest zlokalizowana wewnątrz horyzontu zdarzeń, ale na zewnątrz – w obszarze czasoprzestrzeni Kerra. W tej ergosferze każda cząstka z konieczności porusza się w trybie lokomotywy jednocześnie z obracającą się czasoprzestrzenią, tj. wszystkie znajdujące się tam przedmioty są przez nią przenoszone. W tym przypadku cząstka materii wchodząca do ergosfery zostaje rozdzielona na dwie części. Na przykład materia może składać się z dwóch części, które oddziela się od siebie poprzez wystrzelenie materiału wybuchowego lub pocisku, który rozpycha jej połówki. Pęd dwóch oddzielających się kawałków materii można ustawić w taki sposób, że jeden kawałek ucieka z czarnej dziury („ucieka do nieskończoności”), a drugi wypada poza horyzont zdarzeń do czarnej dziury. Jeśli zostanie umieszczona ostrożnie, uciekająca część materii może mieć większą energię masową niż pierwotna, podczas gdy jej część opadająca otrzyma ujemną energię masową. Chociaż pęd zostaje zachowany, efekt jest taki, że z tego procesu można wydobyć więcej energii, niż pierwotnie planowano. Co więcej, różnicę zapewnia sama czarna dziura. Proces ten powoduje zatem nieznaczny spadek momentu pędu czarnej dziury, co odpowiada transferowi energii do materii. Z kolei utracony impuls przekształcany jest w odzyskaną energię.
Proces Penrose'a wskazuje na taką możliwośćpozyskiwanie energii z czarnej dziury, ale nie jest to dobra praktyczna metoda. Do jego realizacji konieczne jest, aby dwie nowo narodzone cząsteczki miały prędkość przekraczającą połowę prędkości światła. Przewidywana częstotliwość takich zdarzeń jest tak rzadka, że nie pozwoli na uzyskanie znacznej ilości energii.
Dlatego naukowcy aktywnie poszukują innych mechanizmów.Na przykład Stephen Hawking wykazał, że czarne dziury mogą uwalniać energię poprzez promieniowanie cieplne. Innym sposobem pozyskiwania energii jest proces Blanforda-Znaeka, oparty na oddziaływaniu elektromagnetycznym.
Luca Comisso z Columbia University i Felipe A. Asenjo z Adolfo Ibanez University opisują w swoim artykule inną alternatywę dla procesu Penrose'a.
Czarne dziury są otoczone gorącą plazmą, cząstkamiktóre mają pole magnetyczne. Podstawą nowego mechanizmu pozyskiwania energii z wirujących czarnych dziur jest ponowne połączenie linii pola magnetycznego wewnątrz ergosfery. W tym przypadku czarna dziura powinna znajdować się w zewnętrznym polu magnetycznym, mieć duży spin (a ~ 1) i otaczającą ją plazmę silnie namagnesowaną. Niezbędne właściwości posiadają np. Czarne dziury powstałe w wyniku długich i krótkich rozbłysków gamma oraz supermasywne czarne dziury w aktywnych jądrach galaktyk.
Ponowne połączenie magnetyczne przyspiesza część plazmy dokierunek obrotu otworu. Druga część przyspiesza w przeciwnym kierunku i wypada poza horyzont zdarzeń. Uwolnienie energii, podobnie jak w mechanizmie Penrose'a, następuje wtedy, gdy pochłonięta plazma ma energię ujemną, a przyspieszona „ucieka” z ergosfery. Różnica polega na tym, że tworzenie cząstek o ujemnej energii wymaga rozproszenia energii pola magnetycznego. W procesie opisanym przez Penrose'a rolę odgrywa tylko bezwładność cząstek.
Jak mówią naukowcy, wydajność opisanego procesu wynosi 150procent. Oznacza to, że proces pozwala uzyskać półtora raza więcej energii, niż potrzeba na jego realizację. Osiągnięcie sprawności przekraczającej 100 procent jest możliwe, ponieważ cząsteczki plazmy uwalniane z ergosfery zabierają energię czarnej dziury. Odkrycie nowego mechanizmu pozyskiwania energii z czarnych dziur pozwoli astronomom lepiej oszacować ich moment obrotowy i zrozumieć, w jaki sposób promieniują one energią. Odkrycie wciąż jest dalekie od praktycznego zastosowania: konieczne jest wymyślenie, jak polecieć do czarnej dziury i umieścić coś w jej ergosferze, nie wykraczając poza horyzont zdarzeń.
Czytaj więcej
Księżyc Saturna, Tytan, jest niezwykle podobny do Ziemi. Jakie plany ma co do tego ludzkość?
Na Pacyfiku wieloryby szare zaczynają umierać z głodu i umierać
Jedna trzecia osób, które wyzdrowiały po COVID-19, wraca do szpitala. Co ósma - umiera
Teoria strun opiera się na hipotezie, że wszystkocząstki elementarne i ich podstawowe oddziaływania powstają w wyniku drgań i oddziaływań ultramikroskopowych strun kwantowych na skalach rzędu długości Plancka 10−35 m