Wprowadzenie do czarnych dziur

10 KWIETNIA: Na tym zdjęciu informacyjnym dostarczonym przez National Science Foundation, Teleskop Event Horizon uchwycił czarną dziurę w centrum galaktyki M87, nakreśloną przez emisję gorącego gazu wirującego wokół niej pod wpływem silnej grawitacji w pobliżu horyzontu zdarzeń, w obraz opublikowany 10 kwietnia 2019 r. Sieć ośmiu obserwatoriów radiowych na sześciu górach i czterech kontynentach, EHT obserwowała czarną dziurę w Messier 87, nadolbrzyma galaktyce eliptycznej w gwiazdozbiorze Panny, z przerwami przez 10 dni w kwietniu 2017, aby zrobić obraz.

Narodowa Fundacja Nauki / Getty Images

Czarne dziury to obiekty we wszechświecie o tak dużej masie uwięzionej w ich granicach, że mają niewiarygodnie silne pola grawitacyjne. W rzeczywistości siła grawitacyjna czarnej dziury jest tak silna, że ​​nic nie może uciec, gdy wejdzie ona do środka. Nawet światło nie może uciec z czarnej dziury, jest uwięzione w środku wraz z gwiazdami, gazem i pyłem. Większość czarnych dziur ma masę wielokrotnie większą od Słońca, a najcięższe mogą mieć miliony mas Słońca.

To symulowane komputerowo zdjęcie pokazuje supermasywną czarną dziurę w jądrze galaktyki. Czarny obszar w centrum reprezentuje horyzont zdarzeń czarnej dziury, gdzie żadne światło nie może uciec od grawitacyjnego uścisku masywnego obiektu. Potężna grawitacja czarnej dziury zniekształca przestrzeń wokół niej jak lustro w wesołym miasteczku. Światło z gwiazd tła jest rozciągane i rozmazane, gdy gwiazdy prześlizgują się przez czarną dziurę. NASA, ESA i D. Coe, J. Anderson i R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Science Credit: NASA, ESA, C.-P. Ma (Uniwersytet Kalifornijski, Berkeley) i J. Thomas (Instytut Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka, Garching, Niemcy).

Pomimo całej tej masy, rzeczywista osobliwość, która tworzy rdzeń czarnej dziury, nigdy nie została dostrzeżona ani zobrazowana. Jest to, jak sama nazwa wskazuje, maleńki punkt w przestrzeni, ale ma DUŻĄ masę. Astronomowie są w stanie badać te obiekty jedynie dzięki ich wpływowi na otaczającą je materię. Materia wokół czarnej dziury tworzy obracający się dysk, który leży tuż za regionem zwanym „horyzontem zdarzeń”, który jest punktem grawitacyjnym bez powrotu.

Struktura czarnej dziury

Podstawowym „cegiełką” czarnej dziury jest osobliwość: precyzyjny obszar przestrzeni, który zawiera całą masę czarnej dziury. Wokół niego znajduje się obszar przestrzeni, z którego światło nie może uciec, co daje nazwę „czarnej dziurze”. Zewnętrzna „krawędź” tego regionu jest tym, co tworzy horyzont zdarzeń. Jest to niewidzialna granica, na której przyciąganie pola grawitacyjnego jest równe prędkość światła . To także miejsce, w którym równoważy się grawitacja i prędkość światła.

Pozycja horyzontu zdarzeń zależy od przyciągania grawitacyjnego czarnej dziury. Astronomowie obliczają położenie horyzontu zdarzeń wokół czarnej dziury za pomocą równania R_s= 2GM/c^dwa. R jest promień osobliwości, G jest siła grawitacji, M jest masa, c to prędkość światła.

Rodzaje czarnych dziur i sposób ich powstawania

Istnieją różne typy czarnych dziur i powstają na różne sposoby. Najpopularniejszym typem jest czarna dziura o masie gwiazdowej . Zawierają one mniej więcej kilka razy więcej masy niż nasze Słońce i tworzą się, gdy są duże sekwencja główna gwiazdom (10-15 mas Słońca) brakuje paliwa jądrowego w swoich jądrach. Rezultatem jest ogromny wybuch supernowej który wyrzuca zewnętrzne warstwy gwiazd w przestrzeń kosmiczną. To, co pozostało, zapada się, tworząc czarną dziurę.

Koncepcja artysty przedstawiająca czarną dziurę o masie gwiazdowej (w kolorze niebieskim) prawdopodobnie powstała, gdy supermasywna gwiazda zapadła się, żywiąc się materią wyrzuconą przez pobliską gwiazdę. ESA, NASA i Felix Mirabel)

Dwa inne typy czarnych dziur to supermasywne czarne dziury (SMBH) i mikroczarne dziury. Pojedynczy SMBH może zawierać masę milionów lub miliardów słońc. Jak sama nazwa wskazuje, mikro czarne dziury są bardzo małe. Mogą mieć może tylko 20 mikrogramów masy. W obu przypadkach mechanizmy ich powstawania nie są do końca jasne. Mikro-czarne dziury istnieją teoretycznie, ale nie zostały bezpośrednio wykryte.

Odkryto, że supermasywne czarne dziury istnieją w jądrach większości galaktyk, a ich pochodzenie wciąż jest przedmiotem gorących dyskusji. Możliwe, że supermasywne czarne dziury są wynikiem połączenia mniejszych czarnych dziur o masie gwiazdowej i innych materiał . Niektórzy astronomowie sugerują, że mogą powstać, gdy jedna bardzo masywna (setki razy większa od masy Słońca) gwiazda zapadnie się. Tak czy inaczej, są wystarczająco masywne, aby wpływać na galaktykę na wiele sposobów, od wpływu na tempo narodzin gwiazd po orbity gwiazd i materii w ich bliskim sąsiedztwie.

Wiele galaktyk ma w swoich jądrach supermasywne czarne dziury. Jeśli aktywnie „jedzą”, emitują ogromne dżety i są znane jako aktywne jądra galaktyczne. NASA/JPL-Caltech

Z drugiej strony, mikro czarne dziury mogły powstać podczas zderzenia dwóch bardzo wysokoenergetycznych cząstek. Naukowcy sugerują, że dzieje się to stale w górnych warstwach atmosfery Ziemi i prawdopodobnie będzie miało miejsce podczas eksperymentów fizyki cząstek elementarnych w takich miejscach jak CERN.

Jak naukowcy mierzą czarne dziury

Ponieważ światło nie może uciec z obszaru wokół czarnej dziury, na który wpływa horyzont zdarzeń, nikt tak naprawdę nie może „zobaczyć” czarnej dziury. Astronomowie mogą je jednak zmierzyć i scharakteryzować na podstawie wpływu, jaki wywierają na otoczenie. Czarne dziury znajdujące się w pobliżu innych obiektów wywierają na nie wpływ grawitacyjny. Po pierwsze, masę można również określić na podstawie orbity materii wokół czarnej dziury.

Model czarnej dziury otoczonej podgrzanym materiałem zjonizowanym. Być może tak „wygląda” czarna dziura w Drodze Mlecznej. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.

W praktyce astronomowie dedukują obecność czarnej dziury, badając, jak zachowuje się wokół niej światło. Czarne dziury, podobnie jak wszystkie masywne obiekty, mają wystarczające przyciąganie grawitacyjne, aby zagiąć ścieżkę światła, gdy przelatuje obok. Gdy gwiazdy za czarną dziurą poruszają się względem niej, emitowane przez nie światło będzie wyglądało na zniekształcone lub gwiazdy będą się poruszać w nietypowy sposób. Na podstawie tych informacji można określić położenie i masę czarnej dziury.

Jest to szczególnie widoczne w gromadach galaktyk, gdzie łączna masa gromad, ich ciemna materia i ich czarne dziury tworzą łuki i pierścienie o dziwnych kształtach poprzez zaginanie światła bardziej odległych obiektów, gdy przechodzi.

Astronomowie mogą również zobaczyć czarne dziury dzięki promieniowaniu, jakie emituje nagrzany materiał wokół nich, takim jak promieniowanie radiowe lub rentgenowskie. Szybkość tego materiału daje również ważne wskazówki dotyczące charakterystyki czarnej dziury, z której próbuje uciec.

Promieniowanie Hawkinga

Ostatnim sposobem, w jaki astronomowie mogliby wykryć czarną dziurę, jest mechanizm znany jako Promieniowanie Hawkinga . Nazwany na cześć słynnego fizyka teoretycznego i kosmologa Stephen Hawking Promieniowanie Hawkinga jest konsekwencją termodynamiki, która wymaga ucieczki energii z czarnej dziury.

Podstawowa idea jest taka, że ​​w wyniku naturalnych oddziaływań i fluktuacji w próżni materia powstanie w postaci elektronu i antyelektronu (zwanego pozytonem). Gdy nastąpi to w pobliżu horyzontu zdarzeń, jedna cząstka zostanie wyrzucona z czarnej dziury, a druga wpadnie do studni grawitacyjnej.

Dla obserwatora wszystko, co „widzi”, to cząstka emitowana z czarnej dziury. Cząstka byłaby postrzegana jako posiadająca pozytywną energię. Oznacza to, przez symetrię, że cząstka, która wpadła do czarnej dziury, miałaby ujemną energię. W rezultacie czarna dziura w miarę starzenia się traci energię, a zatem traci masę (według słynnego równania Einsteina, E=MC^dwa, gdzie ORAZ = energia, M =masa i C to prędkość światła).

Edytowane i aktualizowane przezCarolyn Collins Petersen.