Μαύρη τρύπα

Τι είναι μια μαύρη τρύπα:

Μια μαύρη τρύπα είναι ένα φαινόμενο διαστήματος πολύ υψηλών αναλογιών (συνήθως μεγαλύτερο από τον ήλιο) και εξαιρετικά συμπαγής μάζα, με αποτέλεσμα ένα πεδίο βαρύτητας τόσο ισχυρό ώστε να μην μπορεί να βγει κανένα σωματίδιο ή ακτινοβολία.

Θεωρώντας ότι ακόμη και το φως απορροφάται, οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες και η ύπαρξή τους αποδεικνύεται μόνο από τις βαρυτικές συνέπειες που παρατηρούνται στο περιβάλλον του, ειδικά από τις αλλαγές τροχιάς των σχεδόν ουράνιων σωμάτων που τώρα έλκονται από τη μαύρη τρύπα.

Θεωρητικά, μόνο κάτι που κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός θα είναι σε θέση να αντέξει το βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας. Για το λόγο αυτό, δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι συμβαίνει με το θέμα που απορροφάται.

Πόσο μεγάλη είναι μια μαύρη τρύπα;

Υπάρχουν μαύρες τρύπες σε διάφορα μεγέθη. Οι ανήλικοι που είναι γνωστοί στην επιστήμη ονομάζονται αρχέγονες μαύρες τρύπες και πιστεύεται ότι είναι το μέγεθος ενός ατόμου, αλλά με τη συνολική μάζα ενός βουνού.

Οι μεσαίες μαύρες τρύπες (των οποίων η μάζα είναι έως 20 φορές μεγαλύτερη από τη συνολική μάζα του ήλιου) ονομάζονται αστρικές . Σε αυτή την κατηγορία, η μικρότερη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί έχει 3.8 φορές την ηλιακή μάζα.

Οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες που ονομάζονται υπερμεγέθης, βρίσκονται συχνά στο κέντρο των γαλαξιών. Για παράδειγμα, στο κέντρο του Γαλαξία είναι ο Τοξότης Α, μια μαύρη τρύπα με μάζα ισοδύναμη με 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.

Μέχρι στιγμής, η μεγαλύτερη γνωστή μαύρη τρύπα ονομάζεται S50014 + 81, η μάζα της οποίας ισούται με σαράντα δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.

Πώς σχηματίζονται μαύρες τρύπες;

Μαύρες τρύπες σχηματίζονται από βαρυτικές καταρρεύσεις ουρανίων σωμάτων. Αυτά τα φαινόμενα εμφανίζονται όταν η εσωτερική πίεση ενός σώματος (συνήθως αστέρες) είναι ανεπαρκής για να διατηρήσει τη δική του μάζα. Έτσι, όταν ο πυρήνας του αστεριού καταρρέει εξαιτίας της βαρύτητας, το ουράνιο σώμα εκρήγνυται απελευθερώνοντας τεράστια ποσά ενέργειας σε ένα γεγονός που είναι γνωστό ως σουπερνόβα .

Οπτική αναπαράσταση μιας σουπερνόβα.

Κατά τη διάρκεια της σουπερνόβας, σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, ολόκληρη η μάζα του αστέρα συμπιέζεται στον πυρήνα του, ενώ κινείται με περίπου το 1/4 της ταχύτητας του φωτός (συμπεριλαμβανομένης, αυτή τη στιγμή, δημιουργούνται τα βαρύτερα στοιχεία του σύμπαντος).

Στη συνέχεια, η έκρηξη θα δημιουργήσει ένα αστέρι νετρονίων ή, αν το αστέρι είναι αρκετά μεγάλο, το αποτέλεσμα θα είναι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας, της οποίας η αστρονομική ποσότητα συμπυκνωμένης μάζας δημιουργεί το προαναφερθέν βαρυτικό πεδίο. Σε αυτό, η ταχύτητα διαφυγής (η ταχύτητα που απαιτείται για κάποιο σωματίδιο ή ακτινοβολία για να αντισταθεί στην έλξη) πρέπει να είναι τουλάχιστον μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.

Τύποι μαύρων οπών

Ο γερμανικός θεωρητικός φυσικός Albert Einstein διατύπωσε ένα σύνολο υποθέσεων σχετικών με τη βαρύτητα που χρησίμευαν ως βάση για την εμφάνιση της σύγχρονης φυσικής. Αυτή η ομάδα ιδεών ονομάστηκε Θεωρία Γενικής Σχετικότητας, στην οποία ο επιστήμονας έκανε αρκετές καινοτόμες παρατηρήσεις σχετικά με τις βαρυτικές επιδράσεις των μαύρων τρυπών.

Για τον Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες είναι «παραμορφώσεις στον χώρο-χρόνο που προκαλούνται από την τεράστια ποσότητα συμπυκνωμένης ύλης». Οι θεωρίες του προωθούν την ταχεία πρόοδο της περιοχής και επιτρέπουν την ταξινόμηση των διαφόρων τύπων μαύρων οπών:

Schwarzschild μαύρη τρύπα

Οι μαύρες τρύπες του Schwarzschild είναι αυτές που δεν έχουν ηλεκτρική φόρτιση και επίσης δεν έχουν γωνιακή ώθηση, δηλαδή δεν περιστρέφονται γύρω από τον άξονά της.

Kerr Black Hole

Οι μαύρες τρύπες του Kerr δεν έχουν ηλεκτρική φόρτιση, αλλά περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους.

Reissner-Nordstrom μαύρη τρύπα

Οι μαύρες τρύπες Reissner-Nordstrom έχουν ηλεκτρική φόρτιση αλλά δεν περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους.

Kerr-Newman Μαύρη τρύπα

Οι μαύρες τρύπες Kerr-Newman είναι ηλεκτρικά φορτισμένες και περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους.

Θεωρητικά, όλοι οι τύποι μαύρων οπών τελικά γίνονται μαύρες οπές Schwarzschild (στατικές και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο) όταν χάνουν αρκετή ενέργεια και σταματούν να περιστρέφονται. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως διαδικασία Penrose . Στις περιπτώσεις αυτές, ο μόνος τρόπος να διαφοροποιηθεί μια μαύρη τρύπα από το Schwarzschild από την άλλη είναι η μέτρηση της μάζας του.

Δομή μαύρης τρύπας

Οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες αφού το βαρυτικό τους πεδίο είναι αναπόφευκτο ακόμα και για το φως. Έτσι, μια μαύρη τρύπα έχει την εμφάνιση μιας σκοτεινής επιφάνειας από την οποία δεν αντανακλάται τίποτα και δεν υπάρχουν ενδείξεις για το τι συμβαίνει στα στοιχεία που απορροφώνται σε αυτήν. Ωστόσο, από την παρατήρηση των επιπτώσεων που προκαλούν στο περιβάλλον τους, η επιστήμη δομεί τις μαύρες τρύπες στο ορίζοντα γεγονότων, την ιδιαιτερότητα και την ergosphere .

Ορίζοντας γεγονότων

Το όριο του βαρυτικού πεδίου της μαύρης τρύπας από το οποίο δεν παρατηρείται τίποτα ονομάζεται ορίζοντας γεγονότος ή σημείο μη επιστροφής .

Γραφική αναπαράσταση ενός ορίζοντα γεγονότος, που διατίθεται από τη NASA, όπου παρατηρείται μια τέλεια σφαίρα από όπου δεν εκπέμπεται φως.

Αν και στην πραγματικότητα υπάρχουν μόνο βαρυτικές συνέπειες, ο ορίζοντας συμβάντος θεωρείται μέρος της δομής μιας μαύρης τρύπας, επειδή είναι η αρχή της παρατηρούμενης περιοχής του φαινομένου.

Είναι γνωστό ότι το σχήμα του είναι τέλεια σφαιρικό σε στατικές μαύρες τρύπες και λοξές στις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες.

Λόγω της βαρυτικής διαστολής του χρόνου, η επίδραση της μαζικής μαζικής τρύπας σε διάστημα-χρόνο προκαλεί τον ορίζοντα συμβάντος, ακόμη και πέρα ​​από το εύρος της, να έχει τα ακόλουθα αποτελέσματα:

• Σε έναν μακρινό παρατηρητή, ένα ρολόι κοντά στον ορίζοντα συμβάντος θα κινητούσε πιο αργά από ένα άλλο μακρύτερα. Έτσι, κάθε αντικείμενο που αναρροφάται στη μαύρη τρύπα φαίνεται να επιβραδύνεται μέχρι να φανεί παράλυτο εγκαίρως.
• Για έναν απομακρυσμένο παρατηρητή, το αντικείμενο που προσεγγίζει τον ορίζοντα συμβάντος θα υποθέσει μια κοκκινωπή απόχρωση, συνέπεια του φυσικού φαινομένου που είναι γνωστό ως redshift, καθώς η συχνότητα του φωτός μειώνεται από το βαρυτικό πεδίο της μαύρης τρύπας.
• Από την άποψη του αντικειμένου, ο χρόνος θα περάσει με επιταχυνόμενη ταχύτητα για ολόκληρο το σύμπαν, ενώ για τον εαυτό του ο χρόνος θα περάσει κανονικά.

Μοναδικότητα

Το κεντρικό σημείο μιας μαύρης τρύπας, όπου η μάζα του άστρου έχει γίνει άπειρα συγκεντρωμένη, ονομάζεται ιδιαιτερότητα, από την οποία λίγα είναι γνωστά γι 'αυτό. Θεωρητικά, η ιδιαιτερότητα περιέχει τη συνολική μάζα του αστέρα που κατέρρευσε, προστιθέμενη στη μάζα όλων των σωμάτων που απορροφήθηκαν από το βαρυτικό πεδίο, αλλά δεν έχει όγκο ή επιφάνεια.

Εργόσφαιρα

Η ergosphere είναι μια περιοχή που παρακάμπτει τον ορίζοντα συμβάντος στις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, όπου είναι αδύνατο για ένα ουράνιο σώμα να παραμείνει ακίνητο.

Ωστόσο, σύμφωνα με τη σχετικότητα του Αϊνστάιν, κάθε περιστρεφόμενο αντικείμενο τείνει να σύρει χώρο-χρόνο κοντά του. Σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, το φαινόμενο αυτό είναι τόσο έντονο που θα ήταν απαραίτητο ένα ουράνιο σώμα να κινηθεί στην αντίθετη κατεύθυνση με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή του φωτός για να παραμείνει ακίνητη.

Είναι σημαντικό να μην συγχέουμε τα αποτελέσματα της ergosphere με τις επιπτώσεις του ορίζοντα συμβάντος. Η ergosphere δεν προσελκύει αντικείμενα με το πεδίο βαρύτητας. Έτσι, οτιδήποτε έρχεται σε επαφή με αυτό θα μετατοπιστεί μόνο στο χωροχρόνο και θα προσελκύσει μόνο αν διασταυρώσει τον ορίζοντα συμβάντος.

Οι θεωρίες των Stephen Hawking στις μαύρες τρύπες

Ο Stephen Hawking ήταν ένας από τους πιο σημαίνοντες φυσικούς και κοσμολόγους του 20ου και 21ου αιώνα. Μεταξύ των πολυάριθμων συμβολών του, ο Hawking λύνεται αρκετά θεωρήματα που πρότεινε ο Αϊνστάιν και συνέβαλε στη θεωρία ότι ο σύμπαν ξεκίνησε με μοναδικότητα, ενισχύοντας περαιτέρω τη λεγόμενη Θεωρία Μεγάλη Έκρηξη .

Ο Hawking πίστευε επίσης ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς μαύρες, αλλά εκπέμπουν μικρές ποσότητες θερμικής ακτινοβολίας. Αυτό το φαινόμενο ήταν γνωστό στη φυσική όπως η ακτινοβολία Hawking . Αυτή η θεωρία προβλέπει ότι οι μαύρες τρύπες θα χάσουν τη μάζα με την απελευθερωμένη ακτινοβολία και, σε μια εξαιρετικά αργή διαδικασία, θα μειωθούν μέχρι να εξαφανιστούν.