Новый

Введение в черные дыры

Введение в черные дыры

Черные дыры - это объекты во вселенной с таким количеством массы, захваченным внутри их границ, что они имеют невероятно сильные гравитационные поля. На самом деле гравитационная сила черной дыры настолько сильна, что ничто не может вырваться, когда она проникла внутрь. Даже свет не может вырваться из черной дыры, он заперт внутри вместе со звездами, газом и пылью. Большинство черных дыр во много раз превышает массу нашего Солнца, а самые тяжелые могут иметь миллионы солнечных масс.

Это изображение, смоделированное компьютером, показывает сверхмассивную черную дыру в ядре галактики. Черная область в центре представляет горизонт событий черной дыры, где свет не может ускользнуть от гравитационного захвата массивного объекта. Мощная гравитация чёрной дыры искажает пространство вокруг неё, как зеркало в фантхаусе. Свет от фоновых звезд растягивается и размазывается, когда звезды скользят по черной дыре. НАСА, ЕКА и Д. Коу, Дж. Андерсон и Р. ван дер Марел (Научный институт космического телескопа), Научный кредит: НАСА, ЕКА, С.-П. Ма (Калифорнийский университет, Беркли) и Дж. Томас (Институт внеземной физики Макса Планка, Гархинг, Германия).

Несмотря на всю эту массу, фактическая особенность, которая образует ядро ​​черной дыры, никогда не была видна или отображена. Это, как следует из слова, крошечная точка в пространстве, но у нее МНОГО массы. Астрономы могут изучать эти объекты только через их воздействие на материал, который их окружает. Материал вокруг черной дыры образует вращающийся диск, который находится за пределами области, называемой «горизонтом событий», которая является гравитационной точкой невозврата.

Структура черной дыры

Основным «строительным блоком» черной дыры является особенность: точечная область пространства, которая содержит всю массу черной дыры. Вокруг него находится область космоса, из которой не может вырваться свет, дав название «черной дыре». Внешний «край» этого региона - это то, что формирует горизонт событий. Это невидимая граница, где притяжение гравитационного поля равно скорости света. Это также, где гравитация и скорость света сбалансированы.

Положение горизонта событий зависит от гравитационного притяжения черной дыры. Астрономы вычисляют местоположение горизонта событий вокруг черной дыры, используя уравнение Rs = 2GM / c2р это радиус сингулярности,г это сила тяжести, M это масса, с это скорость света.

Типы черных дыр и как они образуются

Существуют разные типы черных дыр, и они возникают по-разному. Наиболее распространенный тип известен как черная дыра звездной массы. Они содержат массу, в несколько раз превышающую массу нашего Солнца, и образуются, когда крупные звезды главной последовательности (в 10-15 раз превышающие массу нашего Солнца) исчерпывают ядерное топливо в своих ядрах. Результатом является массивный взрыв сверхновой, который взрывает внешние слои звезд в космос. То, что осталось позади, разрушается, чтобы создать черную дыру.

Представление художника о черной дыре звездной массы (синей), вероятно, сформировалось, когда коллапс сверхмассивной звезды упал из материала, выброшенного соседней звездой. ЕКА, НАСА и Феликс Мирабель)

Два других типа черных дыр - сверхмассивные черные дыры (SMBH) и микро черные дыры. Один SMBH может содержать массу миллионов или миллиардов солнц. Микро черные дыры, как следует из их названия, очень крошечные. Они могут иметь, возможно, только 20 микрограммов массы. В обоих случаях механизмы их создания не совсем понятны. Микро черные дыры существуют в теории, но не были обнаружены напрямую.

Установлено, что сверхмассивные черные дыры существуют в ядрах большинства галактик, и их происхождение до сих пор горячо обсуждается. Возможно, что сверхмассивные черные дыры являются результатом слияния более мелких черных дыр звездной массы и другого вещества. Некоторые астрономы предполагают, что они могут быть созданы, когда коллапсирует одна очень массивная (в сотни раз больше массы Солнца) звезда. В любом случае, они достаточно массивны, чтобы по-разному влиять на галактику - от воздействия на скорость рождения звезд до орбит звезд и материалов в их непосредственной близости.

Многие галактики имеют сверхмассивные черные дыры в своих ядрах. Если они активно «едят», то они испускают огромные джеты и известны как активные галактические ядра. NASA / JPL-Caltech

Микро черные дыры, с другой стороны, могут быть созданы во время столкновения двух частиц очень высокой энергии. Ученые предполагают, что это происходит постоянно в верхних слоях атмосферы Земли и, вероятно, происходит во время экспериментов по физике элементарных частиц в таких местах, как ЦЕРН.

Как ученые измеряют черные дыры

Поскольку свет не может выйти из области вокруг черной дыры, затронутой горизонтом событий, никто не сможет «увидеть» черную дыру. Однако астрономы могут измерить и охарактеризовать их по воздействию, которое они оказывают на свое окружение. Черные дыры, находящиеся рядом с другими объектами, оказывают на них гравитационное воздействие. Во-первых, масса также может быть определена по орбите материала вокруг черной дыры.

Модель черной дыры в окружении нагретого ионизированного материала. Это может быть то, на что "похожа" черная дыра в Млечном Пути. Брэндон ДеФриз Картер, CC0, Викимедиа.

На практике астрономы определяют наличие черной дыры, изучая, как свет ведет себя вокруг нее. Черные дыры, как и все массивные объекты, имеют достаточное гравитационное притяжение, чтобы изгибать путь света при его прохождении. Поскольку звезды за черной дырой движутся относительно нее, испускаемый ими свет будет казаться искаженным, или звезды будут двигаться необычным образом. Из этой информации можно определить положение и массу черной дыры.

Это особенно очевидно в скоплениях галактик, где объединенная масса скоплений, их темная материя и их черные дыры создают дуги и кольца странной формы, изгибая свет более удаленных объектов, когда он проходит мимо.

Астрономы также могут видеть черные дыры от излучения, которое излучает нагретый материал вокруг них, такого как радио или рентгеновское излучение. Скорость этого материала также дает важные ключи к характеристикам черной дыры, из которой она пытается вырваться.

Излучение Хокинга

Последний способ, которым астрономы могли бы обнаружить черную дыру, - это механизм, известный как излучение Хокинга. Названная в честь знаменитого физика-теоретика и космолога Стивена Хокинга, излучение Хокинга является следствием термодинамики, которая требует выхода энергии из черной дыры.

Основная идея заключается в том, что из-за естественных взаимодействий и флуктуаций в вакууме вещество будет создано в форме электрона и антиэлектрона (называемого позитроном). Когда это происходит вблизи горизонта событий, одна частица будет выброшена из черной дыры, а другая упадет в гравитационную яму.

Для наблюдателя все, что «видно», это частица, испускаемая из черной дыры. Частица будет рассматриваться как имеющая положительную энергию. По симметрии это означает, что частица, упавшая в черную дыру, будет иметь отрицательную энергию. В результате черная дыра стареет, теряет энергию и, следовательно, теряет массу (по известному уравнению Эйнштейна E = MC2, где Е= Энергия, M= масса и С это скорость света).

Отредактировано и обновлено Кэролин Коллинз Петерсен.

Смотреть видео: Блеик Д. Шервин - Лекция Первый свет Вселенной и что он может рассказать нам (September 2020).