Typer av svarta hål
Det finns fyra typer av svarta hål baserat på deras massa: stellar, mellanliggande,
Stjärnmassa svarta hål är små men dödliga
Vintergatan innehåller cirka hundra miljoner svartahål som bildades som ett resultat av kollapsen av mycket massiva stjärnor. Var och en av dessa svarta hål väger ungefär 10 gånger vår sol. Mycket få av dessa svarta hål ligger i närheten av en vanlig stjärna som långsamt sprids över till ett svart hål. När denna gas faller mot det svarta hålet värms den upp av stark gravitation och friktion. Nära ett svart hål når gasen en typisk temperatur på 10 miljoner grader Celsius. Dessa röntgenkällor från svarta hål är lätta att observera i hela Vintergatan, såväl som i närliggande galaxer, med hjälp av röntgenobservatorier.
Det är anmärkningsvärt att alla svarta hål heltbeskrivs av bara två siffror som bestämmer dess massa och rotationshastighet. Vi vet inte något enklare än en elementär partikel som en elektron. CFA-forskare har mätt båda dessa grundläggande parametrar - massa och snurrning - i över ett dussin stjärniga svarta hål och studerat alla aspekter av dessa svarta hål och deras system.
Trots sin allestädes närvarande i universum,svarta hål förblir extremt mystiska föremål. Vi behöver en teori om kvantgravitation som kommer att kombinera Einsteins relativitetsteori från 1916 med 1926s teori om kvantmekanik. En sådan teori finns inte, trots årtionden av teoretiska ansträngningar från fysiker som studerar strängteori och andra. Skapandet av teorin om kvantgravitation kommer att bli fysikens krona på nivå med Newtons, Einsteins och andra jätters prestationer.
Medium Mass Black Hole (IMBH) - Fast i mitten
Mellan klasser av stjärnstorlek svarta hålOch supermassiv måste det finnas en till mellanliggande. I alla fall enligt logikens lagar. Borde det inte finnas medelstora svarta hål som gör skillnaden mellan svarta hål av stjärnmassa och supermassiva svarta hål? Dessa kosmiska medelmassor, som kan variera från cirka 100 till 1 miljon solmassor – även om det exakta intervallet varierar beroende på vem du frågar – kallas svarta hål med mellanmassa, IMBHs). Och även om astronomer har hittat flera övertygande kandidater för IMBH utspridda över hela universum, är frågan om de faktiskt existerar fortfarande olöst. Bevis börjar dock ackumuleras.
Även om det är ett definitivt bevis på existensIMBH är fortfarande svårfångad, med ett antal studier under de senaste decennierna som avslöjade spännande bevis som antydde förekomsten av dessa inte särskilt stora, inte särskilt små svarta hål.
En illustration av ett ungt svart hål, till exempel två avlägsna dammfria kvasarer som nyligen upptäcktes av Spitzer rymdteleskop. (Bild med tillstånd av NASA / JPL-Caltech)
Till exempel använde forskare 2003ESA: s XMM-Newton Space Observatory för att identifiera två starka, distinkta röntgenkällor i den närbelägna stjärnburstgalaxen NGC 1313. Eftersom svarta hål tenderar att våldsamt sluka material som kommer för nära och sprutar högt. -energistrålning, de är bland de starkaste kända röntgenstrålningskällorna. Genom att identifiera källorna till röntgen i NGC 1313 och studera hur de blossar upp regelbundet, 2015, kunde forskare begränsa massan av ett av de förmodade svarta hålen i galaxen som kallas NGC 1313 X-1. De uppskattar att detta är ungefär 5000 gånger solens massa, ge eller ta, vilket sätter den med säkerhet i massområdet för ett mellanliggande svart hål.
På samma sätt upptäckte forskare 2009ännu starkare bevis för att det finns ett medelstort svart hål. Beläget cirka 290 miljoner ljusår från kanten av galaxen ESO 243-49, observerade teamet en otroligt ljus röntgenkälla som heter HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), som inte har någon optisk motsvarighet. Detta tyder på att det observerade objektet inte bara är en stjärna eller galax. Dessutom fann forskarna att HLX-1:s röntgensignatur förändrades över tiden, vilket tyder på att det svarta hålet blir ljusare varje gång en närliggande stjärna kommer närmare det, matar gas och orsakar korta utbrott av röntgenstrålar som sedan sakta bleknar bort. bort. Baserat på ljusstyrkan hos de observerade blossarna beräknade forskarna att det svarta hålets minimimassa var cirka 500 gånger solens massa, även om vissa uppskattningar lägger dess vikt närmare 20 000 solmassor.
För närvarande är gravitationsvågdetektorerLIGO och Jungfrun har samarbetat för att upptäcka 20 stjärnmassahål som smälter samman och bildar svarta hål med massor av 20 till 80 solmassor. Även om LIGO-Virgo inte har upptäckt några BH (mer än 100 solmassor), är forskare optimistiska för deras upptäckt i framtiden.
Planck svart hål (Micro black hole)
Ett Planck-svart hål är ett hypotetiskt svart hål med minsta möjliga massa, vilket är lika med Planck-massan.
Materiadensiteten i ett sådant svart hål ärca 1094 kg/m³ och är förmodligen den maximalt uppnåbara massdensiteten. Fysik i sådana skalor måste beskrivas av teorier om kvantgravitation som ännu inte har utvecklats. Ett sådant föremål är identiskt med en hypotetisk elementarpartikel med (förmodligen) den högsta möjliga massan - en maximon.
Plancks svarta hål kännetecknas av extremtlitet tvärsnitt av interaktion. Tvärsnittets litenhet för interaktionen mellan neutrala maximoner och materia leder till det faktum att en betydande (eller till och med den huvudsakliga) delen av materien i universum för närvarande kan bestå av maximoner, utan att leda till en motsättning med observationer. I synnerhet kan maximoner spela rollen som osynlig materia (mörk materia), vars existens för närvarande är erkänd i kosmologin.
Supermassiva svarta hål - jättarnas födelse
Små svarta hål bor i universum, men deraskusiner, supermassiva svarta hål, dominerar. Dessa enorma svarta hål är miljoner eller till och med miljarder gånger mer massiva än solen, men har ungefär samma storlek i diameter. Sådana svarta hål tros finnas i mitten av nästan alla galaxer, inklusive Vintergatan.
Forskare är inte säkra på hur storasvarta hål. När dessa jättar har bildats samlar de en massa damm och gas runt dem, ett material som är rikligt i mitten av galaxerna, så att de kan växa till ännu större storlekar.
Supermassiva svarta hål kan bli resultatetsammanslagningar av hundratals eller tusentals små svarta hål. Stora gasmoln kan också vara ansvariga för deras kollaps och snabba massaökning. Eller är det kollapsen av en stjärnhop, en grupp stjärnor som faller ihop. Supermassiva svarta hål kan uppstå från stora ansamlingar av mörk materia. Detta är ett ämne som vi kan observera genom dess gravitationseffekt på andra föremål; vi vet dock inte vad mörk materia är gjord av eftersom den inte avger ljus och kan inte direkt observeras.
En ny klass av svarta hål - "super-supermassiva" eller enorma svarta hål
Så som vi redan vet innehåller vårt universumstora svarta hål. Det supermassiva svarta hålet i mitten av vår galax har en massa på 4 miljoner solar, men det är ganska litet, som galaktiska svarta hål. Många galaktiska svarta hål har en massa av en miljard solmassor, och massan av det mest massiva svarta hålet som känns uppskattas till cirka 70 miljarder solar. Men hur stort kan ett svart hål vara?
Att göra det svarta hålet riktigt massivthon måste absorbera en stor mängd av ämnet i början av sitt liv. Om den långsamt förbrukar materia, kommer den omgivande galaxen att falla på plats och universum expanderar, så att det svarta hålet inte kan fånga mycket mer materia. Men när ett svart hål snabbt svälter in en stor mängd materia blir saken väldigt het och tenderar att avvisa annan materia, vilket gör det svårt för det svarta hålet att växa.
Baserat på observationer från de största svartahål och datorsimuleringar av bildandet av svarta hål, antas det att den övre gränsen för massan av galaktiska svarta hål är cirka 100 miljarder solmassor. Men ny forskning tyder på att massgränsen kan vara mycket högre.
I forskarnas arbete noteras det att, även omgalaktiska svarta hål har förmodligen en solmassa på hundratals miljarder, större svarta hål kan ha bildats oberoende i de tidiga stadierna av universum. Dessa ursvarta hål kan vara mer än en miljon gånger massan av de största galaktiska svarta hålen. Forskargruppen kallar dem otroligt stora svarta hål eller SLAB (fantastiskt stora svarta hål).
Idén om ursvarta hål har funnits länge.De har föreslagits som en lösning på allt från mörk materia till varför vi ännu inte har upptäckt en hypotetisk nionde planet i vårt solsystem. Men teoretiska modeller föreslår att ursvarta hål skulle vara mycket mindre än till och med svarta hål i stjärnmassor bildade av små densitetsfluktuationer i det tidiga universum. Men den här nya studien antyder att mörk materia och andra faktorer kan orsaka kolossal tillväxt hos vissa av dem.
Om det tidiga universum var mörkt riktmateria, särskilt en form av mörk materia som kallas svagt interagerande massiva partiklar (WIMP), då kan det ursprungliga svarta hålet konsumera mörk materia för att växa snabbt. Eftersom mörk materia inte samverkar starkt med ljus kommer inte fångad mörk materia att avge mycket ljus eller värme för att sakta ner tillväxthastigheten. Som ett resultat kunde dessa svarta hål ha varit enorma även innan universum svalnade och galaxer bildades. Den övre massgränsen för SLAB beror på hur WIMP mörk materia interagerar med sig själv, så om vi upptäcker några SLAB kan det hjälpa oss att förstå mörk materia.
Hur kan mänskligheten använda svarta hål?
Relativitetsteorin förutspår detroterande svarta hål kan användas som energikällor. 1969 beskrev Roger Penrose en process för att göra detta. Det finns en ergosfär runt de roterande svarta hålen - regionen som föregår händelsehorisonten. Alla kroppar i ergosfären kretsar med det svarta hålet.
Penroseprocess (även kallad mekanismPenrose) ser teoretiskt svarta hål som ett sätt att utvinna energi. Sådan utvinning kan ske om det svarta hålets rotationsenergi inte är belägen innanför händelsehorisonten, utan utanför - i området för Kerrs rum-tid. I denna ergosfär rör sig nödvändigtvis vilken partikel som helst i ett lokomotivläge samtidigt med roterande rumtid, dvs. alla föremål där inne bärs bort av den. I det här fallet delas en bit materia som kommer in i ergosfären i två delar. Materia kan till exempel bestå av två delar som separeras genom att avfyra en sprängämne eller en missil som trycker isär halvorna. Drivkraften för två materiabitar när de separeras kan ordnas så att den ena biten flyr från det svarta hålet (det "flyr till oändligheten") och den andra faller bortom händelsehorisonten in i det svarta hålet. Med noggrann placering kan den flyktiga delen av materien ha större massenergi än den ursprungliga, medan den fallande delen av den får negativ massenergi. Även om farten bibehålls är effekten att mer energi kan utvinnas från denna process än vad som ursprungligen var tänkt. Dessutom tillhandahålls skillnaden av själva det svarta hålet. Processen resulterar alltså i en liten minskning av det svarta hålets rörelsemängd, vilket motsvarar en överföring av energi till materia. Den förlorade impulsen omvandlas i sin tur till utvunnen energi.
Penrose-processen indikerar möjlighetenfå energi från ett svart hål, men det är inte en bra praktisk metod. För dess implementering är det nödvändigt att två nyfödda partiklar har en hastighet som överstiger ljusets hastighet. Den förväntade frekvensen av sådana händelser är så sällsynt att det inte tillåter att en betydande mängd energi erhålls.
Därför letar forskare aktivt efter andra mekanismer.Till exempel visade Stephen Hawking att svarta hål kan frigöra energi genom värmestrålning. Ett annat sätt att utvinna energi är Blanford-Znaek-processen, baserad på elektromagnetisk interaktion.
Luca Comisso från Columbia University och Felipe A. Asenjo från Adolfo Ibanez University beskriver ett annat alternativ till Penrose-processen i sin artikel.
Svarta hål omges av het plasma, partiklarsom har ett magnetfält. Grunden för en ny mekanism för att erhålla energi från roterande svarta hål är återanslutning av magnetfältlinjer inuti ergosfären. I det här fallet ska det svarta hålet vara i ett externt magnetfält, ha en stor snurrning (a ~ 1) och den omgivande plasma med stark magnetisering. De nödvändiga egenskaperna har till exempel svarta hål som bildas som ett resultat av långa och korta gammastrålningsskurar och supermassiva svarta hål i aktiva galaktiska kärnor.
Magnetisk återanslutning accelererar en del av plasma tillrotationsriktningen för hålet. Den andra delen accelererar i motsatt riktning och faller bortom händelsehorisonten. Frisättningen av energi, som i Penrose-mekanismen, inträffar om den absorberade plasman har negativ energi, och den accelererade "flyr" från ergosfären. Skillnaden är att bildandet av partiklar med negativ energi kräver avledning av magnetfältets energi. I den process som beskrivs av Penrose spelar bara partiklarnas tröghet en roll.
Som forskare säger är effektiviteten i den beskrivna processen 150procent. Detta innebär att processen låter dig få en och en halv gånger mer energi än vad du behöver spendera på implementeringen. Det är möjligt att uppnå en effektivitet på mer än 100 procent, eftersom plasmapartiklar som frigörs från ergosfären tar bort det svarta hålets energi. Upptäckten av en ny mekanism för att utvinna energi från svarta hål gör det möjligt för astronomer att bättre uppskatta deras rotationsmoment och förstå hur de utstrålar energi. Upptäckten är fortfarande långt ifrån praktisk tillämpning: det är nödvändigt att ta reda på hur man flyger till det svarta hålet och placerar något i dess ergosfär utan att falla bortom händelsehorisonten.
Läs mer
Saturnus måne Titan liknar anmärkningsvärt jorden. Vilka planer har mänskligheten för det?
Ett stort antal gråval börjar svälta och dö i Stilla havet
En tredjedel av dem som har återhämtat sig från COVID-19 återvänder till sjukhuset. Var åttonde - dör
Strängteori bygger på hypotesen att allaelementära partiklar och deras grundläggande interaktioner uppstår till följd av vibrationer och interaktioner mellan ultramikroskopiska kvantsträngar på skalor i storleksordningen Planck-längd på 10−35 m