Supermasywna czarna dziura: tworzenie, wykrywanie, właściwości

Czarne dziury są obszarami w tkaninie przestrzeni i czasu, które mają taką masę, że żaden przedmiot, nawet światło, nie może wydostać się z ich pola grawitacyjnego. Chociaż teoretycy już utworzyli ogólną ideę czarnych dziur, w rzeczywistości ich istnienie nie zostało całkowicie udowodnione. Z klasycznej teorii grawitacji wynika, że ​​jeśli teoria okaże się niepoprawna, to czarne dziury mogą mieć inną naturę.

Gigantomania

Nawet największa czarna dziura, według współczesnych naukowców, może pojawić się w jednym z czterech scenariuszy. Dwie z nich - tak zwane realistyczne - wiążą się z upadkiem. Gwiazda "przestarzała" zapada się lub kurczy, w wyniku czego powstaje gwiazda neutronowa. Masa półtora naszego Słońca ma bardzo małą średnicę - około dwudziestu kilometrów, ale gęstość materii jest bardzo duża. Jeśli gwiazda ma bardzo dużą masę, zamiast gwiazdy neutronowej pojawia się czarna dziura.

Druga z realistycznych wersji sugeruje, że pojawienie się rozważanego obiektu może wiązać się z zapadnięciem gazu protogalaktycznego lub całej środkowej części galaktyki.

Pozostałe dwie - hipotetyczne - wersje mówią, że być może niektóre czarne dziury w Wszechświecie istnieją od momentu Wielkiego Wybuchu, nazywane są pierwotnymi. Według drugiego założenia mogą one również powstać w wyniku wysokoenergetycznych reakcji jądrowych.

Największa czarna dziura

W ciągu ostatniej dekady te niewidoczne obiekty kosmiczne hałasowały wśród astrofizyków. Istnienie ogromnych czarnych dziur było niesamowite, ale okazało się, że znalezienie ich nie jest tak trudne, gdy istnieje plan.

Sercem każdej galaktyki jest niewidzialny obiekt o ogromnych rozmiarach, zniekształcający orbity gwiazd. Ten obiekt był supermasywną czarną dziurą. Wyjaśnia to fakt, że w centralnych częściach galaktyk skupienie się gwiazd jest największe, w wyniku ich scalenia prowadzi do gigantycznych mas czarnych dziur i okazuje się, że supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki nie jest rzeczą dziwną, ale regularnością.

Oczywiście natychmiast powstało pytanie o to, jak duże mogą być. Współcześni naukowcy klasyfikują je, zwiększając masę. Czarne dziury gwiezdnej masy są porównywalne z masami od 10 do kilkudziesięciu mas Słońca. Wymiary supermasywnych czarnych dziur są ogromne - od miliona do kilkuset milionów mas naszej gwiazdy. Pozostałe obiekty należą do kategorii medium, a naukowcy uważają, że są one znacznie mniejsze od pozostałych, ale nie potrafią jeszcze wyjaśnić przyczyny takiej różnicy w ilości.

Gigant naszej galaktyki

Supermasywna czarna dziura istnieje w Drodze Mlecznej. Jego masa wynosi cztery miliony. masy słońca, co stanowi 0,1% całej galaktyki! Jednak nasza galaktyka, według kosmicznych standardów, jest raczej niewielka. Na przykład we względnym sąsiedztwie z nami, w konstelacji Panna, znajduje się Messier 87, o wielkości dwustu razy większej. Astrofizyk Ethan Siegel, autor artykułu "Największa czarna dziura w znanym wszechświecie", stwierdza, że ​​w tej galaktyce jest nieprawdopodobna anomalia: strumień materii o około pięciu tysięcy lat świetlnych emanuje ze środka (na przykład cała Droga Mleczna ponad sto tysięcy lat świetlnych). Zdaniem naukowców przyczyną tej anomalii może być tylko supermasywna czarna dziura.

Dalej i dalej

Zwykle supermasywna czarna dziura wynosi 0,01% masy galaktyki, co oznacza, że ​​można założyć, że poszukiwanie "niewidzialnego" największego rozmiaru powinno rozpocząć się od poszukiwania największej galaktyki. Takim obserwowalnym wszechświatem jest IC 1101, którego długość wynosi dwa miliony lat świetlnych która jest prawie dwukrotnie większa od naszej sąsiedniej galaktyki, Andromedy. Pod względem wagi może być równy wszystkiemu konstelacja Panna. Naukowcy zasugerowali, że istnieje najbardziej "ciężka" czarna dziura, ale IC 1101 ma konkurenta.

Naukowcy z Uniwersytetu Yale, szukający supermasywnych czarnych dziur w naszym gwieździstym niebie, znaleźli anomalię w najodleglejszej galaktyce. Galaxy CID-947 jest tak daleko od nas, że astrofizycy uważają go za silną retrospekcję. Zgodnie z naszymi zwykłymi standardami, jest on teraz w wieku 1,5-2 miliarda lat po Wielkim Wybuchu (według naukowców stało się to 14 miliardów lat temu). Czarna dziura w tej galaktyce jest wyjątkowo ciężka i stanowi 17% masy całej galaktyki, przekraczając wartość Słońca 7 miliardów razy, chociaż sam CID-947 nie jest większy niż nasza Droga Mleczna. Można śmiało powiedzieć, że w tej chwili jest to największa czarna dziura znana nauce.

Narodziny supermasywnego

Astrofizycy nie doszli jeszcze do powszechnej opinii na temat powstawania czarnych dziur. Być może sprawa nie ogranicza się do czterech teorii, a może są całkowicie błędne. Jednak w odniesieniu do CID-947 naukowcy nie przyjmują żadnych założeń. Uważa się, że supermasywne czarne dziury mogą powstać w wyniku ich "kiełkowania" z czarnych dziur mas gwiezdnych, trwa to miliardy lat. Jednak CID-947 widzimy całkiem młodo, a czarna dziura w jego środku jest niesamowicie ogromna. Byłoby ciekawie zobaczyć, jak wygląda teraz, po 12 miliardach lat, ale nie możemy tego wiedzieć.

Możliwym wytłumaczeniem tej anomalii jest to, że czarna dziura była pierwotna, to znaczy powstała podczas Wielkiego Wybuchu, albo sama galaktyka miała bardzo duże skupienie gwiazd i gaz protogalaktyczny w środku.

Wykrywanie czarnej dziury

W badaniu i obserwacji czarnych dziur jest sporo problemów, ale główna trudność polega na ich wykryciu. Światło nie może przezwyciężyć ich grawitacji, a to oznacza, że ​​przedmiot o takiej kolosalnej masie pozostaje niewidoczny! Nawet jeśli najsilniejszy teleskop naszych czasów - Hubble - "zobaczył" supermasywną czarną dziurę, tylko astrofizyk zrozumie, że naprawdę istnieje.

Z reguły czarne dziury znajdują się poprzez zniekształcenie orbit gwiazd znajdujących się w pobliżu. Mają również promieniowanie rentgenowskie i gamma (jest to spowodowane przepływem wodoru, najbardziej rozpowszechnioną substancją w naszym Wszechświecie), który przed zniknięciem w czarnych dziurach jest podgrzewany do temperatury kilku milionów stopni.

Innym sposobem jest poznanie masy, a następnie objętości obiektu i porównanie go z promieniem grawitacyjnym. Ta metoda jest uważana za jedyną niezawodną. Naukowcy pomagają również naukowcom dowiedzieć się, czy obiekt jest czarną dziurą i stosunek jej masy i jasności, prędkości źródeł fal i prędkości rotacji gazu.

Fakty i szczegóły

Co stanie się, jeśli dostaniesz się do czarnej dziury? To pytanie jest jednym z najciekawszych. Naukowcy sugerują, że w miarę zbliżania się ludzkie ciało zacznie się rozciągać. Będzie to trwało, dopóki nie zmieni się w strumień cząstek i przekroczy horyzont zdarzeń. Jednak efekt ten będzie obserwowany, jeśli czarna dziura ma gwiezdną masę. W przypadku supermasywnego scenariusz jest nieco inny ze względu na fakt, że ze względu na swoją wielkość, osobliwość jest dość daleko od horyzontu.

W ten sposób podróżnik będzie w stanie przekroczyć horyzont wydarzeń - skraj czarnej dziury i zanurkować wystarczająco głęboko, zanim poczuje niszczycielskie skutki. Jego prędkość będzie stale przyspieszać, dopóki się nie osiągnie prędkość światła i czas na zwolnienie. Ale to nie wszystko!

Jeden sposób

Na pewnym etapie będzie on mógł jednocześnie zobaczyć wszystkie przedmioty, które czarna dziura połknęła podczas jego życia, a jeśli odwróci się, będzie obserwował tych, których gigant jeszcze nie połknął. Przestrzeń czarnej dziury coraz bardziej zasłania widok, a następnie całkowicie się zamknie, a podróżny zobaczy przestrzeń przez mały "otwór", jakby przez rurkę. Z powodu zniekształcenia percepcji czasu ta podróż potrwa miliony lat i stanie się naprawdę niesamowita.

Ale w jaki sposób astrofizycy mogą mówić o przedmiotach, których rzeczywiste istnienie nie jest nawet w pełni udowodnione? Cały powód matematycznych obliczeń. Bazując na pewnych danych, naukowcy mogą wykonywać obliczenia i na ich podstawie wyciągać wnioski dotyczące wewnętrznej struktury obiektów. Dlatego tylko poprzez spekulacyjny eksperyment mogą odpowiedzieć na wiele pytań, a nawet powiedzieć, co się stanie, jeśli dostaniesz się do czarnej dziury.

Jeśli zastąpisz słońce czarną dziurą

Innym ciekawym eksperymentem myślowym jest zastąpienie pojedynczej gwiazdy naszego systemu równoważną masą czarnej dziury. Nawiasem mówiąc, horyzont wydarzeń takiego giganta będzie wielkości ... balonu. Jednak obecność "uniwersalnego pochłaniacza" w tle nie będzie miała praktycznie żadnego wpływu na planety naszego układu: tylko obiekt przechodzący w pobliżu czarnej dziury może zostać wchłonięty. Planety poruszają się po swojej orbicie, co wyklucza możliwość konwergencji: astrofizycy znaleźli dość dużo gwiazd i planet, które cicho obracają się wokół czarnych dziur.

Ale nie wszystko jest takie proste. Pierwszą rzeczą, która zniknie, jest światło słoneczne, które ożywia wszystko na Ziemi, i to jest główny problem. Oczywiście, jeśli ludzkość opanowała technologię fuzja termojądrowa i inżynierii genetycznej, prawdopodobnie moglibyśmy kontynuować życie w ciemnościach na stopniowo ochładzającej się planecie, ale na tym etapie rozwoju ludzie umieraliby za kilka dziesięcioleci.

Główne nieporozumienie

Istnieje opinia, że ​​czarne dziury we Wszechświecie absorbują jedynie energię. W rzeczywistości tak nie jest. Podobnie jak rośliny, które zarówno absorbują dwutlenek węgla podczas procesu fotosyntezy, jak i wydzielają go podczas innych procesów, czarna dziura absorbuje substancję i uwalnia ją.

Zjawisko to można wytłumaczyć tylko z punktu widzenia fizyki kwantowej. Czarna dziura tworzy strumień elementarnych cząstek, głównie fotonów, nazywane jest to promieniowaniem kwantowym czarnej dziury lub promieniowaniem Hawkinga (nazwanym tak od samego Szczepana Szczepana). W mechanice kwantowej istnieje tak zwany mechanizm tunelowania, który pomaga cząstkom pokonać bariery, które są nie do pokonania dla materii nie-materii.