Uvod v črne luknje

10. APRIL: Na tej fotografiji izročka, ki jo je zagotovila Nacionalna znanstvena fundacija, je teleskop Event Horizon posnel črno luknjo v središču galaksije M87, označeno z emisijo vročega plina, ki se vrti okoli nje pod vplivom močne gravitacije blizu njenega obzorja dogodkov, v slika, objavljena 10. aprila 2019. Mreža osmih radijskih observatorijev na šestih gorah in štirih celinah je EHT opazovala črno luknjo v Messier 87, superorjaški eliptični galaksiji v ozvezdju Device, 10 dni aprila 2019. 2017 za izdelavo slike.

Nacionalna znanstvena fundacija / Getty Images

Črne luknje so objekti v vesolju s toliko mase, ujete znotraj njihovih meja, da imajo neverjetno močna gravitacijska polja. Pravzaprav je gravitacijska sila črne luknje tako močna, da nič ne more uiti, ko enkrat vstopi v notranjost. Črni luknji ne more uiti niti svetloba, saj je ujeta v njej skupaj z zvezdami, plinom in prahom. Večina črnih lukenj vsebuje večkratno maso našega Sonca, najtežje pa imajo lahko milijone sončnih mas.

Ta računalniško simulirana slika prikazuje supermasivno črno luknjo v jedru galaksije. Črno območje v sredini predstavlja obzorje dogodkov črne luknje, kjer nobena svetloba ne more uiti gravitacijskemu prijemu masivnega predmeta. Močna gravitacija črne luknje izkrivlja prostor okoli nje kot ogledalo v zabavni hiši. Svetloba zvezd v ozadju se raztegne in razmaže, ko zvezde lezejo mimo črne luknje. NASA, ESA in D. Coe, J. Anderson in R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), avtorstvo znanosti: NASA, ESA, C.-P. Ma (Univerza v Kaliforniji, Berkeley) in J. Thomas (Inštitut Maxa Plancka za zunajzemeljsko fiziko, Garching, Nemčija).

Kljub vsej tej masi dejanske singularnosti, ki tvori jedro črne luknje, še nikoli niso videli ali posneli. Kot pove beseda, je majhna točka v vesolju, vendar ima VELIKO mase. Astronomi lahko preučujejo te predmete samo skozi njihov učinek na material, ki jih obdaja. Material okoli črne luknje tvori vrteči se disk, ki leži tik za območjem, imenovanim 'obzorje dogodkov', ki je gravitacijska točka brez vrnitve.

Struktura črne luknje

Osnovni 'gradnik' črne luknje je singularnost: točno določeno območje vesolja, ki vsebuje vso maso črne luknje. Okoli nje je območje vesolja, iz katerega svetloba ne more uiti, zaradi česar je 'črna luknja' dobila ime. Zunanji 'rob' tega območja je tisto, kar tvori obzorje dogodkov. To je nevidna meja, kjer je vlečna sila gravitacijskega polja enaka hitrost svetlobe . Prav tako sta gravitacija in hitrost svetlobe uravnoteženi.

Položaj obzorja dogodkov je odvisen od gravitacijske sile črne luknje. Astronomi izračunajo lokacijo obzorja dogodkov okoli črne luknje z uporabo enačbe R_s= 2GM/c^dva. R je polmer singularnosti, G je gravitacijska sila, M je masa, c je svetlobna hitrost.

Vrste črnih lukenj in kako nastanejo

Obstajajo različne vrste črnih lukenj in nastanejo na različne načine. Najpogostejša vrsta je znana kot črna luknja z zvezdno maso . Te vsebujejo približno nekajkrat večjo maso našega Sonca in nastanejo, ko so velike glavno zaporedje zvezdam (10-15-kratna masa našega Sonca) zmanjka jedrskega goriva v njihovih jedrih. Rezultat je ogromen eksplozija supernove ki razstreli zunanje plasti zvezd v vesolje. Kar ostane za seboj, se zruši in ustvari črno luknjo.

Umetnikova zasnova klobuka črne luknje z zvezdno maso (v modri barvi) je verjetno nastala, ko se je supermasivna zvezda sesedla, pri čemer se je napajala iz materiala, ki ga je izvrgla bližnja zvezda. ESA, NASA in Felix Mirabel)

Dve drugi vrsti črnih lukenj sta supermasivne črne luknje (SMBH) in mikro črne luknje. En sam SMBH lahko vsebuje maso milijonov ali milijard sonc. Mikro črne luknje so, kot pove že njihovo ime, zelo majhne. Morda imajo le 20 mikrogramov mase. V obeh primerih mehanizmi njihovega nastanka niso povsem jasni. Mikro črne luknje teoretično obstajajo, vendar niso bile neposredno odkrite.

Supermasivne črne luknje najdemo v jedrih večine galaksij in o njihovem izvoru še vedno potekajo vroče razprave. Možno je, da so supermasivne črne luknje rezultat združitve manjših črnih lukenj z zvezdno maso in drugih zadeva . Nekateri astronomi domnevajo, da bi lahko nastali, ko se zruši ena sama zelo masivna (stokrat večja od mase Sonca) zvezda. Kakor koli že, so dovolj masivni, da vplivajo na galaksijo na številne načine, od učinkov na število rojstev zvezd do orbit zvezd in materiala v njihovi bližnji bližini.

Številne galaksije imajo v svojih jedrih supermasivne črne luknje. Če aktivno 'jedo', potem oddajajo ogromne curke in so znani kot aktivna galaktična jedra. NASA/JPL-Caltech

Mikro črne luknje pa bi lahko nastale ob trku dveh zelo visokoenergijskih delcev. Znanstveniki domnevajo, da se to nenehno dogaja v zgornji atmosferi Zemlje in da se bo verjetno zgodilo med poskusi fizike delcev na mestih, kot je CERN.

Kako znanstveniki merijo črne luknje

Ker svetloba ne more uiti iz območja okoli črne luknje, na katerega vpliva obzorje dogodkov, črne luknje ne more nihče zares 'videti'. Vendar jih lahko astronomi izmerijo in opredelijo glede na učinke, ki jih imajo na okolico. Črne luknje, ki so v bližini drugih predmetov, nanje izvajajo gravitacijski učinek. Prvič, maso lahko določimo tudi z orbito materiala okoli črne luknje.

Model črne luknje, obdan z razgretim ioniziranim materialom. Tako je morda 'izgleda' črna luknja v Rimski cesti. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.

V praksi astronomi sklepajo o prisotnosti črne luknje s preučevanjem, kako se svetloba obnaša okoli nje. Črne luknje, tako kot vsi masivni objekti, imajo dovolj gravitacije, da ukrivijo pot svetlobe, ko gre mimo. Ko se zvezde za črno luknjo premikajo glede nanjo, bo svetloba, ki jo oddajajo, videti popačena ali pa bo videti, da se zvezde premikajo na nenavaden način. Iz teh informacij je mogoče določiti položaj in maso črne luknje.

To je še posebej očitno v jatah galaksij, kjer je združena masa jat, njihova temna snov in črne luknje ustvarjajo nenavadno oblikovane loke in obroče z ukrivljanjem svetlobe bolj oddaljenih predmetov, ko gre mimo.

Astronomi lahko vidijo črne luknje tudi po sevanju, ki ga oddaja segret material okoli njih, kot so radio ali rentgenski žarki. Hitrost tega materiala prav tako daje pomembne namige o značilnostih črne luknje, ki ji poskuša pobegniti.

Hawkingovo sevanje

Zadnji način, na katerega bi astronomi lahko zaznali črno luknjo, je mehanizem, znan kot Hawkingovo sevanje . Imenovan po slavnem teoretičnem fiziku in kozmologu Stephen Hawking , Hawkingovo sevanje je posledica termodinamike, ki zahteva, da energija uhaja iz črne luknje.

Osnovna ideja je, da bo zaradi naravnih interakcij in nihanj v vakuumu snov nastala v obliki elektrona in antielektrona (imenovanega pozitron). Ko se to zgodi blizu obzorja dogodkov, bo en delec izvržen stran od črne luknje, medtem ko bo drugi padel v gravitacijsko jamo.

Za opazovalca je vse, kar 'vidi', delec, ki se oddaja iz črne luknje. Videli bi, da ima delec pozitivno energijo. To po simetriji pomeni, da bi imel delec, ki bi padel v črno luknjo, negativno energijo. Posledica tega je, da črna luknja s staranjem izgublja energijo in s tem izgublja maso (po znameniti Einsteinovi enačbi E=MC^dva, kje IN =energija, M =masa in C je svetlobna hitrost).

Uredil in posodobilCarolyn Collins Petersen.