Tipuri de găuri negre
Există patru tipuri de găuri negre bazate pe masa lor: stelare, intermediare,
Găurile negre de masă stelară sunt mici, dar mortale
Calea Lactee conține aproximativ o sută de milioane de negrugăuri care s-au format ca urmare a prăbușirii stelelor foarte masive. Fiecare dintre aceste găuri negre stelare cântărește de aproximativ 10 ori Soarele nostru. Foarte puține dintre aceste găuri negre se află în imediata apropiere a unei stele obișnuite care se revarsă încet într-o gaură neagră. Când acest gaz cade spre gaura neagră, acesta este încălzit de gravitație puternică și frecare. Aproape de o gaură neagră, gazul atinge o temperatură tipică de 10 milioane de grade Celsius. Aceste surse de raze X din găurile negre sunt ușor de observat pe Calea Lactee, precum și în galaxiile din apropiere, folosind observatoare cu raze X orbitante.
Este de remarcat faptul că orice gaură neagră este completeste descris doar de două numere care determină masa și viteza de rotație. Nu știm nimic mai simplu decât o particulă elementară, cum ar fi un electron. Oamenii de știință CFA au măsurat ambii parametri fundamentali - masă și rotire - pentru peste o duzină de găuri negre stelare, studiind toate aspectele acestor găuri negre și ale sistemelor lor.
În ciuda omniprezenței sale în univers,găurile negre rămân obiecte extrem de misterioase. Avem nevoie de o teorie a gravitației cuantice care să combine teoria relativității din 1916 a lui Einstein cu teoria mecanicii cuantice din 1926. O astfel de teorie nu există, în ciuda zeci de ani de eforturi teoretice ale fizicienilor care studiază teoria corzilor și altele. Crearea teoriei gravitației cuantice va deveni coroana fizicii la fel cu realizările lui Newton, Einstein și ale altor uriași.
Gaură neagră cu masă medie (IMBH) - Blocată în mijloc
Între clasele de găuri negre de magnitudine stelarăȘi supermasiv trebuie să mai fie unul intermediar. În orice caz, după legile logicii. Nu ar trebui să existe găuri negre de dimensiuni medii care să facă diferența între găurile negre de masă stelară și găurile negre supermasive? Aceste mase medii cosmice, care pot varia de la aproximativ 100 până la 1 milion de mase solare – deși intervalul exact variază în funcție de cine întrebi – se numesc găuri negre cu masă intermediară, IMBH-uri). Și, deși astronomii au găsit câțiva candidați convingătoare pentru IMBH împrăștiați în tot Universul, întrebarea dacă aceștia există cu adevărat este încă nerezolvată. Cu toate acestea, dovezile încep să se acumuleze.
Deși dovada definitivă a existențeiIMBH rămâne evaziv, cu o serie de studii efectuate în ultimele decenii care descoperă dovezi interesante care sugerează existența acestor găuri negre nu foarte mari, nu foarte mici.
O ilustrare a unei găuri negre tinere, cum ar fi două quasare îndepărtate fără praf descoperite recent de telescopul spațial Spitzer. (Imagine oferită de NASA / JPL-Caltech)
De exemplu, în 2003, cercetătorii au folositObservatorul spațial XMM-Newton al ESA identifică două surse de raze X puternice, distincte, în galaxia NGC 1313 din apropiere. -radioterapie energetică, sunt printre cele mai puternice surse cunoscute de radiații cu raze X. Prin identificarea surselor de raze X din NGC 1313 și studierea modului în care acestea apar periodic, cercetătorii au reușit să limiteze masa uneia dintre presupusele găuri negre ale galaxiei cunoscută sub numele de NGC 1313 X-1. Ei estimează că aceasta este de aproximativ 5.000 de ori mai mare decât masa Soarelui, dă sau ia, ceea ce îl plasează cu încredere în intervalul de masă al unei găuri negre de masă intermediară.
În mod similar, în 2009, cercetătorii au descoperitdovezi și mai puternice pentru existența unei găuri negre de dimensiuni medii. Situată la aproximativ 290 de milioane de ani-lumină de marginea galaxiei ESO 243-49, echipa a observat o sursă de raze X incredibil de strălucitoare numită HLX-1 (sursă de raze X hiperluminoasă 1), care nu are un corespondent optic. Acest lucru sugerează că obiectul observat nu este doar o stea sau o galaxie. În plus, cercetătorii au descoperit că semnătura cu raze X a lui HLX-1 s-a schimbat în timp, sugerând că gaura neagră devine mai strălucitoare de fiecare dată când o stea din apropiere se apropie de ea, alimentând cu gaz și provocând explozii scurte de raze X care apoi dispar încet. departe. Pe baza luminozității erupțiilor observate, cercetătorii au calculat ca masa minimă a găurii negre să fie de aproximativ 500 de ori masa Soarelui, deși unele estimări apropie greutatea acesteia de 20.000 de mase solare.
În prezent, detectoare de unde gravitaționaleLIGO și Fecioara s-au unit pentru a descoperi 20 de găuri negre cu masă stelară care se îmbină pentru a forma găuri negre cu mase de 20 până la 80 de mase solare. Deși LIGO-Virgo nu a detectat niciun BH (mai mult de 100 de mase solare), cercetătorii sunt optimisti cu privire la detectarea lor în viitor.
Planck gaura neagra (Micro gaura neagra)
O gaură neagră Planck este o gaură neagră ipotetică cu cea mai mică masă posibilă, care este egală cu masa Planck.
Densitatea materiei unei astfel de găuri negre esteaproximativ 1094 kg/m³ și este probabil densitatea de masă maximă realizabilă. Fizica la astfel de scări trebuie descrisă de teorii ale gravitației cuantice care nu au fost încă dezvoltate. Un astfel de obiect este identic cu o particulă elementară ipotetică cu (probabil) masa maximă posibilă - un maximon.
Găurile negre Planck sunt caracterizate de extremmică secțiune transversală a interacțiunii. Micimea secțiunii transversale pentru interacțiunea maximonilor neutri cu materia duce la faptul că o parte semnificativă (sau chiar principală) a materiei din Univers în prezent ar putea consta din maximoni, fără a conduce la o contradicție cu observațiile. În special, maximonii ar putea juca rolul materiei invizibile (materia întunecată), a cărei existență este recunoscută în prezent în cosmologie.
Găuri negre supermasive - nașterea giganților
Mici găuri negre locuiesc în univers, dar ale lorverii, găurile negre supermasive, domină. Aceste găuri negre uriașe sunt de milioane sau chiar de miliarde de ori mai mari decât Soarele, dar cu aproximativ aceeași dimensiune în diametru. Se crede că astfel de găuri negre se găsesc în centrul oricărei galaxii, inclusiv în Calea Lactee.
Oamenii de știință nu sunt siguri de cât de marigăuri negre. Odată ce acești uriași s-au format, ei colectează o masă de praf și gaze în jurul lor, un material abundent în centrul galaxiilor, permițându-le să crească până la dimensiuni chiar mai mari.
Rezultatul ar putea fi găurile negre supermasivefuziuni de sute sau mii de mici găuri negre. Norii mari de gaz pot fi, de asemenea, responsabili pentru prăbușirea lor și creșterea rapidă a masei. Sau este prăbușirea unui grup de stele, un grup de stele care cad împreună. Găurile negre supermasive pot apărea din acumulări mari de materie întunecată. Aceasta este o substanță pe care o putem observa prin efectul gravitațional asupra altor obiecte; totuși, nu știm din ce este alcătuită materia întunecată pentru că nu emite lumină și nu poate fi observată direct.
O nouă clasă de găuri negre — „super-supermasive” sau găuri negre uriașe
Deci, după cum știm deja, Universul nostru conținegăuri negre imense. Gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei noastre are o masă de 4 milioane de Sori, dar este destul de mică, ca găurile negre galactice. Multe găuri negre galactice au o masă de un miliard de mase solare, iar masa celei mai masive găuri negre cunoscute este estimată la aproximativ 70 de miliarde de sori. Dar cât de mare poate fi o gaură neagră?
Pentru a face gaura neagră cu adevărat masivăea trebuie să absoarbă o cantitate mare de substanță la începutul vieții sale. Dacă consumă încet materie, atunci galaxia din jur va cădea la locul său și universul se va extinde, astfel încât gaura neagră nu poate capta mult mai multă materie. Dar când o gaură neagră înghite rapid o cantitate mare de materie, materia devine foarte fierbinte și tinde să respingă alte materii, ceea ce face dificilă creșterea găurii negre.
Pe baza observațiilor celor mai mari negrigăuri și simulări pe computer ale formării găurilor negre, se crede că limita superioară a masei găurilor negre galactice este de aproximativ 100 miliarde de mase solare. Dar noi cercetări sugerează că limita de masă ar putea fi mult mai mare.
În lucrarea oamenilor de știință se remarcă faptul că, deșigăurile negre galactice au probabil o limită de masă solară de sute de miliarde, găurile negre mai mari s-ar fi putut forma independent în primele etape ale universului. Aceste găuri negre primordiale pot fi de peste un milion de ori mai mari decât cele mai mari găuri negre galactice. Echipa de cercetare le numește găuri negre incredibil de mari sau SLAB-uri (găuri negre extraordinar de mari).
Ideea găurilor negre primordiale există de multă vreme.Ele au fost propuse ca o soluție la orice, de la materia întunecată la motivul pentru care nu am descoperit încă o ipotetică nouă planetă în sistemul nostru solar. Dar modelele teoretice sugerează că găurile negre primordiale ar fi mult mai mici decât găurile negre de masă stelară formate din fluctuații minime de densitate din universul timpuriu. Dar acest nou studiu sugerează că materia întunecată și alți factori ar putea provoca creșterea colosală a unora dintre ei.
Dacă universul timpuriu era bogat în întunericmaterie, în special o formă de materie întunecată cunoscută sub numele de particule masive care interacționează slab (WIMP), atunci gaura neagră primordială ar putea consuma materie întunecată pentru a crește rapid. Deoarece materia întunecată nu interacționează puternic cu lumina, materia întunecată prinsă nu va emite multă lumină sau căldură pentru a încetini rata de creștere. Drept urmare, aceste găuri negre ar fi putut fi imense chiar înainte ca universul să se răcească și să se formeze galaxii. Limita superioară a masei pentru SLAB va depinde de modul în care interacționează materia întunecată WIMP cu ea însăși, deci dacă detectăm orice SLAB ar putea să ne ajute să înțelegem materia întunecată.
Cum poate umanitatea să folosească găurile negre?
Teoria relativității prezice căgăurile negre rotative pot fi utilizate ca surse de energie. În 1969, Roger Penrose a descris un proces pentru a face acest lucru. Există o ergosferă în jurul găurilor negre rotative - regiunea care precede orizontul evenimentelor. Toate corpurile din ergosferă se învârt cu gaura neagră.
Procesul Penrose (numit și mecanismPenrose) vede teoretic găurile negre ca pe un mijloc de extragere a energiei. O astfel de extracție poate avea loc dacă energia de rotație a găurii negre nu este situată în interiorul orizontului de evenimente, ci în exterior - în regiunea spațiu-timpului Kerr. În această ergosferă, orice particulă se mișcă în mod necesar într-un mod de locomotivă simultan cu rotația spațiu-timp, adică. toate obiectele de acolo sunt luate de ea. În acest caz, o bucată de materie care intră în ergosferă este împărțită în două părți. De exemplu, materia poate consta din două părți care sunt separate prin tragerea unui exploziv sau a unei rachete care își împinge jumătățile. Momentul a două bucăți de materie pe măsură ce se separă poate fi aranjat astfel încât o bucată să scape din gaura neagră (ea „scapă la infinit”), iar cealaltă să cadă dincolo de orizontul evenimentelor în gaura neagră. Cu o plasare atentă, partea care scapă a materiei poate avea o masă-energie mai mare decât cea originală, în timp ce partea care căde primește energie negativă-masă. Deși impulsul este păstrat, efectul este că din acest proces poate fi extrasă mai multă energie decât sa prevăzut inițial. Mai mult, diferența este oferită de gaura neagră în sine. Procesul are ca rezultat o uşoară scădere a momentului unghiular al găurii negre, care corespunde unui transfer de energie către materie. Impulsul pierdut, la rândul său, este transformat în energie extrasă.
Procesul Penrose indică posibilitateaobținerea energiei dintr-o gaură neagră, dar nu este o metodă practică bună. Pentru implementarea sa, este necesar ca două particule nou-născute să aibă o viteză ce depășește jumătate din viteza luminii. Frecvența așteptată a unor astfel de evenimente este atât de rară încât nu va permite obținerea unei cantități semnificative de energie.
Prin urmare, oamenii de știință caută activ alte mecanisme.De exemplu, Stephen Hawking a arătat că găurile negre pot elibera energie prin radiația de căldură. O altă modalitate de extragere a energiei este procesul Blanford-Znaek, bazat pe interacțiunea electromagnetică.
Luca Comisso de la Universitatea Columbia și Felipe A. Asenjo de la Universitatea Adolfo Ibanez descriu o altă alternativă la procesul Penrose în articolul lor.
Găurile negre sunt înconjurate de plasmă fierbinte, particulecare au câmp magnetic. Baza unui nou mecanism pentru obținerea energiei din găurile negre rotative este reconectarea liniilor câmpului magnetic din interiorul ergosferei. În acest caz, gaura neagră ar trebui să se afle într-un câmp magnetic extern, să aibă o rotire mare (a ~ 1) și plasma înconjurătoare cu o magnetizare puternică. Proprietățile necesare sunt posedate, de exemplu, de găurile negre formate ca urmare a exploziilor de raze gamma lungi și scurte și a găurilor negre supermasive din nucleii galactici activi.
Reconectarea magnetică accelerează o parte din plasmăsensul de rotație al găurii. Cealaltă parte accelerează în direcția opusă și cade dincolo de orizontul evenimentelor. Eliberarea de energie, ca și în mecanismul Penrose, are loc dacă plasma absorbită are energie negativă, iar cea accelerată „scapă” din ergosferă. Diferența este că formarea particulelor cu energie negativă necesită disiparea energiei câmpului magnetic. În procesul descris de Penrose, doar inerția particulelor joacă un rol.
După cum spun oamenii de știință, eficiența procesului descris este de 150la sută. Aceasta înseamnă că procesul vă permite să obțineți de o dată și jumătate mai multă energie decât trebuie să cheltuiți pentru implementarea acestuia. Este posibilă obținerea unei eficiențe de peste 100%, deoarece particulele de plasmă eliberate din ergosferă duc energia găurii negre. Descoperirea unui nou mecanism de extragere a energiei din găurile negre va permite astronomilor să estimeze mai bine impulsul lor de rotație și să înțeleagă cum radiază energia. Descoperirea este încă departe de aplicarea practică: este necesar să vă dați seama cum să zburați spre gaura neagră și să plasați ceva în ergosfera sa fără a cădea dincolo de orizontul evenimentelor.
Citeste mai mult
Luna lui Saturn, Titan, este remarcabil de asemănătoare cu Pământul. Ce planuri are omenirea pentru asta?
Un număr mare de balene cenușii încep să moară de foame și să moară în Pacific
O treime dintre cei care și-au revenit din COVID-19 se întorc la spital. La fiecare opt - moare
Teoria corzilor se bazează pe ipoteza că toateparticulele elementare și interacțiunile lor fundamentale apar ca urmare a vibrațiilor și interacțiunilor șirurilor cuantice ultramicroscopice pe scări de ordinul lungimii Planck de 10−35 m