Úvod do čiernych dier

10. Apríl: Na tejto fotke, ktorú poskytla National Science Foundation, Teleskop horizontu udalostí zachytáva čiernu dieru v strede galaxie M87, ktorá je ohraničená emisiou horúceho plynu víriaceho okolo nej pod vplyvom silnej gravitácie v blízkosti jej horizontu udalostí. snímka zverejnená 10. apríla 2019. Sieť ôsmich rádiových observatórií na šiestich horách a štyroch kontinentoch, EHT pozorovala čiernu dieru v Messier 87, superobrovskej eliptickej galaxii v súhvezdí Panna, počas 10 dní v apríli r. 2017 na vytvorenie obrazu.

Národná vedecká nadácia / Getty Images

Čierne diery sú objekty vo vesmíre s takým množstvom hmoty uväznenej vo vnútri svojich hraníc, že ​​majú neuveriteľne silné gravitačné polia. V skutočnosti je gravitačná sila čiernej diery taká silná, že keď sa dostane dovnútra, nič nemôže uniknúť. Z čiernej diery nemôže uniknúť ani svetlo, je uväznené vo vnútri spolu s hviezdami, plynom a prachom. Väčšina čiernych dier obsahuje mnohonásobok hmotnosti nášho Slnka a tie najťažšie môžu mať milióny slnečných hmôt.

Tento počítačom simulovaný obrázok ukazuje supermasívnu čiernu dieru v jadre galaxie. Čierna oblasť v strede predstavuje horizont udalostí čiernej diery, kde žiadne svetlo nemôže uniknúť gravitačnému zovretiu masívneho objektu. Silná gravitácia čiernej diery deformuje priestor okolo nej ako zrkadlo v zábavnom dome. Svetlo hviezd v pozadí je natiahnuté a rozmazané, keď hviezdy prechádzajú cez čiernu dieru. NASA, ESA a D. Coe, J. Anderson a R. van der Marel (Space Telescope Science Institute), Vedecký kredit: NASA, ESA, C.-P. Ma (University of California, Berkeley) a J. Thomas (Inštitút Maxa Plancka pre mimozemskú fyziku, Garching, Nemecko).

Napriek všetkej tejto hmotnosti nebola skutočná singularita, ktorá tvorí jadro čiernej diery, nikdy videná ani zobrazená. Je to, ako to slovo naznačuje, malý bod vo vesmíre, ale má VEĽA hmotnosti. Astronómovia sú schopní študovať tieto objekty iba prostredníctvom ich vplyvu na materiál, ktorý ich obklopuje. Materiál okolo čiernej diery tvorí rotujúci disk, ktorý leží tesne za oblasťou nazývanou „horizont udalostí“, čo je gravitačný bod, odkiaľ niet návratu.

Štruktúra čiernej diery

Základným „stavebným kameňom“ čiernej diery je singularita: presná oblasť priestoru, ktorá obsahuje celú hmotnosť čiernej diery. Okolo nej je oblasť priestoru, z ktorej svetlo nemôže uniknúť, čo dáva „čiernej diere“ jej meno. Vonkajší „okraj“ tohto regiónu tvorí horizont udalostí. Je to neviditeľná hranica, kde sa ťah gravitačného poľa rovná rýchlosť svetla . Je to tiež miesto, kde sú gravitácia a rýchlosť svetla vyvážené.

Poloha horizontu udalostí závisí od gravitačnej sily čiernej diery. Astronómovia vypočítavajú polohu horizontu udalostí okolo čiernej diery pomocou rovnice R_s= 2 GM/c^dva. R je polomer singularity, G je gravitačná sila, M je hmotnosť, c je rýchlosť svetla.

Typy čiernych dier a spôsob ich vzniku

Existujú rôzne typy čiernych dier a vznikajú rôznymi spôsobmi. Najbežnejší typ je známy ako čierna diera s hviezdnou hmotnosťou . Obsahujú približne až niekoľkonásobok hmotnosti nášho Slnka a vznikajú, keď sú veľké hlavná sekvencia hviezdam (10 - 15-násobok hmotnosti nášho Slnka) dochádza vo svojich jadrách jadrové palivo. Výsledkom je masívny výbuch supernovy ktorý vystrelí vonkajšie vrstvy hviezd do vesmíru. To, čo zostalo, sa zrúti a vytvorí sa čierna diera.

Umelcova predstava čiernej diery s hviezdnou hmotnosťou (v modrom) klobúku pravdepodobne vznikla pri kolapse supermasívnej hviezdy, ktorá sa živila materiálom vyvrhnutým blízkou hviezdou. ESA, NASA a Felix Mirabel)

Dva ďalšie typy čiernych dier sú supermasívne čierne diery (SMBH) a mikro čierne diery. Jeden SMBH môže obsahovať hmotnosť miliónov alebo miliárd sĺnk. Mikro čierne diery sú, ako naznačuje ich názov, veľmi malé. Môžu mať možno len 20 mikrogramov hmotnosti. V oboch prípadoch nie sú celkom jasné mechanizmy ich vzniku. Mikro čierne diery teoreticky existujú, ale neboli priamo detegované.

Zistilo sa, že supermasívne čierne diery existujú v jadrách väčšiny galaxií a o ich pôvode sa stále vedú vášnivé diskusie. Je možné, že supermasívne čierne diery sú výsledkom zlúčenia menších čiernych dier s hviezdnou hmotnosťou a iných záležitosť . Niektorí astronómovia predpokladajú, že by mohli byť vytvorené, keď sa zrúti jedna veľmi hmotná hviezda (stokrát väčšia ako hmotnosť Slnka). Či tak alebo onak, sú dostatočne masívne na to, aby ovplyvnili galaxiu mnohými spôsobmi, od vplyvu na rýchlosť zrodu hviezd až po obežné dráhy hviezd a materiálu v ich blízkom okolí.

Mnoho galaxií má vo svojich jadrách supermasívne čierne diery. Ak aktívne „jedia“, potom vydávajú obrovské výtrysky a sú známe ako aktívne galaktické jadrá. NASA/JPL-Caltech

Mikro čierne diery by na druhej strane mohli vzniknúť pri zrážke dvoch častíc s veľmi vysokou energiou. Vedci naznačujú, že sa to deje nepretržite v hornej atmosfére Zeme a pravdepodobne sa to stane počas experimentov časticovej fyziky na takých miestach, ako je CERN.

Ako vedci merajú čierne diery

Keďže svetlo nemôže uniknúť z oblasti okolo čiernej diery ovplyvnenej horizontom udalostí, nikto nemôže čiernu dieru skutočne „vidieť“. Astronómovia ich však dokážu zmerať a charakterizovať podľa účinkov, ktoré majú na svoje okolie. Čierne diery, ktoré sú v blízkosti iných objektov, na ne pôsobia gravitačne. Po prvé, hmotnosť môže byť určená aj obežnou dráhou materiálu okolo čiernej diery.

Model čiernej diery obklopenej zahriatym ionizovaným materiálom. Takto môže „vyzerať“ čierna diera v Mliečnej dráhe. Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.

V praxi astronómovia odvodzujú prítomnosť čiernej diery štúdiom toho, ako sa okolo nej správa svetlo. Čierne diery, rovnako ako všetky masívne objekty, majú dostatočnú gravitáciu na to, aby ohýbali dráhu svetla, keď prechádza okolo. Keď sa hviezdy za čiernou dierou pohybujú vzhľadom k nej, svetlo, ktoré vyžarujú, sa bude javiť ako skreslené alebo sa hviezdy budú zdať, že sa pohybujú nezvyčajným spôsobom. Z týchto informácií možno určiť polohu a hmotnosť čiernej diery.

Toto je obzvlášť zrejmé v kopách galaxií, kde je kombinovaná hmotnosť kopy, ich temná hmota a ich čierne diery vytvárajú zvláštne tvarované oblúky a prstence ohýbaním svetla vzdialenejších predmetov pri jeho prechode.

Astronómovia môžu tiež vidieť čierne diery podľa žiarenia, ktoré vydáva zohriaty materiál okolo nich, ako je rádio alebo röntgenové lúče. Rýchlosť tohto materiálu tiež poskytuje dôležité informácie o charakteristikách čiernej diery, z ktorej sa snaží uniknúť.

Hawkingovo žiarenie

Posledným spôsobom, ako by astronómovia mohli odhaliť čiernu dieru, je mechanizmus známy ako Hawkingovo žiarenie . Pomenovaný podľa slávneho teoretického fyzika a kozmológa Stephen Hawking Hawkingovo žiarenie je dôsledkom termodynamiky, ktorá vyžaduje únik energie z čiernej diery.

Základnou myšlienkou je, že v dôsledku prirodzených interakcií a fluktuácií vo vákuu sa hmota vytvorí vo forme elektrónu a antielektrónu (nazývaného pozitrón). Keď k tomu dôjde blízko horizontu udalostí, jedna častica bude vyvrhnutá preč z čiernej diery, zatiaľ čo druhá spadne do gravitačnej studne.

Pre pozorovateľa je všetko, čo „vidí“, častica vyžarovaná z čiernej diery. Častica by bola vnímaná ako majúca pozitívnu energiu. To podľa symetrie znamená, že častica, ktorá spadla do čiernej diery, by mala negatívnu energiu. Výsledkom je, že ako čierna diera starne, stráca energiu, a preto stráca hmotnosť (podľa slávnej Einsteinovej rovnice E=MC^dva, kde A = energia, M = hmotnosť a C je rýchlosť svetla).

Upravil a aktualizovalCarolyn Collins Petersen.