Εισαγωγή στις μαύρες τρύπες

Οι μαύρες τρύπες είναι αντικείμενα στο σύμπαν με τόσο πολλή μάζα παγιδευμένη μέσα στα όριά τους που έχουν απίστευτα ισχυρά βαρυτικά πεδία. Στην πραγματικότητα, η βαρυτική δύναμη μιας μαύρης τρύπας είναι τόσο δυνατή που δεν μπορεί να ξεφύγει από τη στιγμή που έχει εισέλθει. Ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από μια μαύρη τρύπα, είναι παγιδευμένο μέσα μαζί με αστέρια, φυσικό αέριο και σκόνη. Οι περισσότερες μαύρες τρύπες περιέχουν πολλές φορές τη μάζα του Ήλιου μας και οι βαρύτεροι μπορούν να έχουν εκατομμύρια ηλιακές μάζες.

Παρά όλη αυτή τη μάζα, η πραγματική ιδιαιτερότητα που αποτελεί τον πυρήνα της μαύρης τρύπας δεν έχει ποτέ δει ή απεικονιστεί. Είναι, όπως λέει η λέξη, ένα μικροσκοπικό σημείο στο διάστημα, αλλά έχει πολλή μάζα. Οι αστρονόμοι μπορούν μόνο να μελετήσουν αυτά τα αντικείμενα μέσω της επίδρασής τους στο υλικό που τα περιβάλλει. Το υλικό γύρω από τη μαύρη τρύπα σχηματίζει ένα περιστρεφόμενο δίσκο που βρίσκεται ακριβώς πέρα ​​από μια περιοχή που ονομάζεται "ο ορίζοντας συμβάντος", το οποίο είναι το σημείο βαρύτητας χωρίς επιστροφή.

Το βασικό "οικοδομικό τετράγωνο" της μαύρης τρύπας είναι η ιδιαιτερότητα: μια περιοχή εντοπισμού του χώρου που περιέχει όλη τη μάζα της μαύρης τρύπας. Γύρω από αυτό είναι μια περιοχή του χώρου από την οποία το φως δεν μπορεί να ξεφύγει, δίνοντας το όνομα "μαύρη τρύπα". Το εξωτερικό "άκρο" αυτής της περιοχής είναι αυτό που σχηματίζει τον ορίζοντα συμβάντος. Είναι το αόρατο όριο όπου η έλξη του βαρυτικού πεδίου είναι ίση με το ταχύτητα του φωτός. Είναι επίσης όπου η βαρύτητα και η ταχύτητα του φωτός είναι ισορροπημένες.

Η θέση του ορίζοντα συμβάντος εξαρτάται από την βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας. Οι αστρονόμοι υπολογίζουν τη θέση ενός ορίζοντα γεγονότων γύρω από μια μαύρη τρύπα χρησιμοποιώντας την εξίσωση R_μικρό = 2GM / c². R είναι η ακτίνα της ιδιαιτερότητας, σολ είναι η δύναμη της βαρύτητας, Μ είναι η μάζα, ντο είναι η ταχύτητα του φωτός.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι μαύρων τρυπών και εμφανίζονται με διάφορους τρόπους. Ο πιο συνηθισμένος τύπος είναι γνωστός ως μαύρη τρύπα αστρικής μάζας. Αυτά περιέχουν κατά προσέγγιση έως και μερικές φορές τη μάζα του Ήλιου μας και σχηματίζονται όταν είναι μεγάλες κύρια ακολουθία τα αστέρια (10 - 15 φορές τη μάζα του Ήλιου) εξαντλούνται από τα πυρηνικά καύσιμα στους πυρήνες τους. Το αποτέλεσμα είναι τεράστιο έκρηξη σουπερνόβα που εκτοξεύει τα εξωτερικά στρώματα των αστεριών στο διάστημα. Τι έμεινε πίσω από την κατάρρευση για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα.

Οι δύο άλλοι τύποι μαύρων οπών είναι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) και μικρο μαύρες τρύπες. Ένα ενιαίο SMBH μπορεί να περιέχει τη μάζα εκατομμυρίων ή δισεκατομμυρίων ήλιων. Μικρές μαύρες τρύπες, όπως υπονοεί το όνομά τους, είναι πολύ μικροσκοπικές. Ίσως να έχουν μόνο 20 μικρογραμμάρια μάζας. Και στις δύο περιπτώσεις, οι μηχανισμοί για τη δημιουργία τους δεν είναι απολύτως σαφείς. Μικρές μαύρες τρύπες υπάρχουν θεωρητικά αλλά δεν έχουν ανιχνευθεί άμεσα.

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες βρίσκονται στους πυρήνες των περισσότερων γαλαξιών και η προέλευσή τους είναι ακόμη έντονα συζητημένη. Είναι δυνατό ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι το αποτέλεσμα μιας συγχώνευσης μεταξύ των μαύρων τρυπών μικρότερων, αστρικών μαζών και άλλων ύλη. Μερικοί αστρονόμοι προτείνουν ότι θα μπορούσαν να δημιουργηθούν όταν καταρρέει ένα μοναδικό άκρως μαζικό αστέρι (εκατοντάδες φορές το μάζα του Ήλιου). Είτε έτσι είτε αλλιώς είναι αρκετά μαζικά για να επηρεάσουν τον γαλαξία με πολλούς τρόπους, που κυμαίνονται από τις επιδράσεις στους ρυθμούς γέννησης μέχρι τις τροχιές των αστεριών και του υλικού που βρίσκονται κοντά τους.

Μικρές μαύρες τρύπες, από την άλλη πλευρά, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν κατά τη σύγκρουση δύο σωματιδίων πολύ υψηλής ενέργειας. Οι επιστήμονες προτείνουν ότι αυτό συμβαίνει συνεχώς στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης και είναι πιθανό να συμβεί κατά τη διάρκεια πειραμάτων φυσικής σωματιδίων σε μέρη όπως το CERN.

Δεδομένου ότι το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από την περιοχή γύρω από μια μαύρη τρύπα που επηρεάζεται από τον ορίζοντα συμβάντος, κανείς δεν μπορεί πραγματικά να «δει» μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι αστρονόμοι μπορούν να τις μετρήσουν και να τις χαρακτηρίσουν με τις επιδράσεις τους στο περιβάλλον τους. Οι μαύρες τρύπες που βρίσκονται κοντά σε άλλα αντικείμενα ασκούν βαρυτική επίδραση σε αυτά. Για ένα πράγμα, η μάζα μπορεί επίσης να προσδιοριστεί από την τροχιά του υλικού γύρω από τη μαύρη τρύπα.

Στην πράξη, οι αστρονόμοι συνάγουν την παρουσία της μαύρης τρύπας μελετώντας το πώς το φως συμπεριφέρεται γύρω της. Οι μαύρες τρύπες, όπως όλα τα τεράστια αντικείμενα, έχουν αρκετή βαρυτική έλξη για να κάμψουν το μονοπάτι του φωτός καθώς περνάει. Καθώς τα αστέρια πίσω από τη μαύρη τρύπα κινούνται σε σχέση με αυτό, το φως που εκπέμπεται από αυτά θα φαίνεται παραμορφωμένο ή τα αστέρια θα φαίνεται να κινούνται με ασυνήθιστο τρόπο. Από αυτές τις πληροφορίες, μπορεί να καθοριστεί η θέση και η μάζα της μαύρης τρύπας.

Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές στις συστάδες των γαλαξιών όπου η συνδυασμένη μάζα των συστάδων, η σκοτεινή τους ύλη, και η δική τους οι μαύρες τρύπες δημιουργούν περίεργα τόξα και δακτυλίους με κάμψη του φωτός των πιο απομακρυσμένων αντικειμένων καθώς περνάει.

Οι αστρονόμοι μπορούν επίσης να δουν μαύρες τρύπες από την ακτινοβολία που εκπέμπει το θερμαινόμενο υλικό γύρω από αυτά, όπως ραδιόφωνο ή ακτίνες Χ. Η ταχύτητα αυτού του υλικού δίνει επίσης σημαντικά στοιχεία για τα χαρακτηριστικά της μαύρης τρύπας που προσπαθεί να ξεφύγει.

Ο τελικός τρόπος με τον οποίο οι αστρονόμοι θα μπορούσαν ενδεχομένως να ανιχνεύσουν μια μαύρη τρύπα είναι μέσω ενός μηχανισμού γνωστού ως Η ακτινοβολία Hawking. Ονομάστηκε για το φημισμένο θεωρητικό φυσικό και κοσμολόγο Stephen Hawking, Η ακτινοβολία Hawking είναι συνέπεια της θερμοδυναμικής που απαιτεί τη διαφυγή ενέργειας από μια μαύρη τρύπα.

Η βασική ιδέα είναι ότι, λόγω φυσικών αλληλεπιδράσεων και διακυμάνσεων στο κενό, το θέμα θα δημιουργηθεί με τη μορφή ενός ηλεκτρονίου και ενός ηλεκτρονίου (που ονομάζεται ποζιτρόνιο). Όταν συμβαίνει αυτό κοντά στον ορίζοντα συμβάντος, ένα σωματίδιο θα εκτοπιστεί μακριά από τη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο θα πέσει μέσα στο βαρυτικό φρεάτιο.

Για έναν παρατηρητή, το μόνο που «βλέπει» είναι ένα σωματίδιο που εκπέμπεται από τη μαύρη τρύπα. Το σωματίδιο θα θεωρηθεί ότι έχει θετική ενέργεια. Αυτό σημαίνει, με συμμετρία, ότι το σωματίδιο που έπεσε στη μαύρη τρύπα θα είχε αρνητική ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι ότι καθώς μια μαύρη τρύπα αιώνεται, χάνει ενέργεια και συνεπώς χάνει μάζα (από τη διάσημη εξίσωση του Einstein, E = MC², που μι= ενέργεια, Μ= μάζα, και ντο είναι η ταχύτητα του φωτός).

Επεξεργάστηκε και ενημερώθηκε από Carolyn Collins Petersen.