de er sorte, og de er som bundløse huller. Hvad ville du kalde dem?- Mig, da en ven spurgte mig, hvorfor de hedder hvad de er
Ah, sorte huller. Den ultimative rystende inducer af kosmos, ud-kæbe hajer, ud-ooking edderkopper, ud-skræmme … um, noget skræmmende. Men vi er fascineret af dem, er ikke i tvivl — selvom vi ikke forstår meget om dem.
men det er derfor, jeg er her. Tillad mig at være din tour guide til uendelig. Eller omvendt, tror jeg. Da det er allehelgensaften synes dette passende … og min bog Death from The Skies! bare kom ud, og der er mange måder et sort hul kan ødelægge Jorden. Mvuhahahaha.
så nedenfor præsenterer jeg ti fakta om sorte huller — den tredje i min serie på ti ting, du ikke ved (den første var på Mælkevejen; den anden om Jorden). Regelmæssige læsere vil kende et par af disse, da jeg har talt om dem før, men jeg håber, at du ikke kender alle disse. Og hvis du gør det, så er du velkommen til at efterlade en kommentar preening om dit overlegne intellekt. Husk dig, denne liste er ikke i nærheden af komplet: jeg kunne sandsynligvis have valgt 50 ting, der er underlige ved sorte huller. Men jeg kan godt lide disse.
det er ikke deres masse, det er deres størrelse, der gør dem så stærke.
OK, først en rigtig hurtig primer på sorte huller. Bær over med mig!
den mest almindelige måde for et sort hul at danne er i kernen af en massiv stjerne. Kernen løber tør for brændstof og kollapser. Dette udløser en chokbølge, der sprænger de ydre lag af stjernen og forårsager en supernova. Så stjernens hjerte kollapser, mens resten af det eksploderer udad (dette er Cliff ‘ s notes — versionen; for flere detaljer om processen — hvilket er meget cool, så du bør læse det-tjek min beskrivelse af det).
når kernen kollapser, øges dens tyngdekraft. 3 gange Solens masse), bliver tyngdekraften så stærk, at lige ved overfladen af den sammenfaldende kerne øges flugthastigheden til lysets hastighed. Det betyder, at intet kan undslippe tyngdekraften af dette objekt, ikke engang lys. Så det er sort. Og da intet kan undslippe, skal du læse citatet øverst på siden.
området omkring selve det sorte hul, hvor flugthastigheden er lig med lysets hastighed, kaldes begivenhedshorisonten. Enhver begivenhed, der sker inde i den, er for evigt usynlig.
OK, så nu ved du, hvad man er, og hvordan de dannes. Nu kunne jeg forklare, hvorfor de har så stærk tyngdekraft, men ved du hvad? Jeg vil hellere lade ham gøre det. Jeg hører, han er god.
så der går du. Jo da, massen er vigtig, men nogle gange er det de små ting, der tæller.
de er ikke uendeligt små.
så OK, de er små, men hvor små er de?
jeg skrev om sorte huller i mit tidligere job, og vi fik en sjov diskussion om, hvad vi mente med sort hul: mente vi selve objektet, der kollapser ned til et matematisk punkt, eller begivenhedshorisonten omkring det? Jeg sagde begivenhedshorisonten, men min chef sagde, at det var objektet. Jeg besluttede, at hun havde et punkt (HAHAHAHAHA! Et “punkt”! Mand, jeg dræber mig), og sørgede for, at da jeg skrev om begivenhedshorisonten versus selve det sorte hul, gjorde jeg mig klar.
som jeg sagde ovenfor, til den kollapsende kerne, holder uret tikkende, så det ser sig selv kollapse helt ned til et punkt, selvom begivenhedshorisonten har en vis endelig størrelse.
Hvad sker der med kernen? Den faktiske masse, der kollapsede?
herude ved vi aldrig med sikkerhed. Vi kan ikke se ind, og det vil nok ikke sende nogen info ud. Men vores matematik i disse situationer er ret god, og vi kan i det mindste anvende dem på den sammenfaldende kerne, selv når den er mindre end begivenhedshorisonten.
det vil fortsætte med at kollapse, og tyngdekraften øges. Mindre, mindre … og da jeg var barn læste jeg altid, at det kollapser helt ned til en geometrisk prik, et objekt uden dimensioner overhovedet. Det var virkelig irriterende for mig, som du kan forestille dig… det burde det også være. Fordi det er forkert.
på et tidspunkt vil den sammenfaldende kerne være mindre end et atom, mindre end en kerne, mindre end en elektron. Det vil til sidst nå en størrelse kaldet Planck længde, en enhed så lille, at kvantemekanik styrer det med en jernnæve. En Planck længde er en slags kvante størrelse grænse: hvis et objekt bliver mindre end dette, kan vi bogstaveligt talt ikke vide meget om det med nogen sikkerhed. Den faktiske fysik er kompliceret, men stort set når den sammenfaldende kerne rammer denne størrelse, selvom vi på en eller anden måde kunne gennembore begivenhedshorisonten, kunne vi ikke måle dens virkelige størrelse. Faktisk betyder udtrykket” ægte størrelse ” ikke rigtig noget i denne form for skala. Hvis universet selv forhindrer dig i at måle det, kan du lige så godt sige, at udtrykket ikke har nogen betydning.
og hvor lille er en Planck længde? Teeny tiny: omkring 10^-35 meter. Det er et hundrede kvintillionth størrelsen af en proton.
så hvis nogen siger, at et sort hul har nul størrelse, kan du være nørdet og teknisk og sige, ikke rigtig, men meh. Tæt nok på.
de er kugler. Og de er bestemt ikke tragtformede.
den tyngdekraft, du føler fra et objekt, afhænger af to ting: objektets masse og din afstand fra det objekt. Det betyder, at enhver i en given afstand fra en massiv genstand — siger en million kilometer — ville føle den samme tyngdekraft fra den. Denne afstand definerer en kugle omkring et objekt: enhver på den kugles overflade ville føle den samme tyngdekraft fra objektet i midten.
størrelsen af en begivenhedshorisont for et sort hul afhænger af tyngdekraften, så virkelig er begivenhedshorisonten en kugle, der omgiver det sorte hul. Udefra, hvis du kunne finde ud af, hvordan du ser begivenhedshorisonten i første omgang, ville det ligne en kulsort kugle.
nogle mennesker tænker på sorte huller som cirkler, eller værre, tragtformet. Tragten ting er en misforståelse fra folk, der forsøger at forklare tyngdekraften som en bøjning i rummet, og de forenkler tingene ved at kollapse 3D-rummet i 2d; de siger, at rummet er som et lagen, og genstande med massebøjningsrum på samme måde som en massiv genstand (en kuglebold, siger) vil kæde et lagen. Men rummet er ikke 2d, det er 3D (endda 4D, hvis du inkluderer tid), og så kan denne forklaring forvirre folk om den faktiske form af en sort hulhændelseshorisont.
jeg har fået børn til at spørge mig, hvad der sker, hvis du nærmer dig et sort hul nedenunder! De får nogle gange ikke, at sorte huller er kugler, og der er ingen nedenunder. Jeg bebrejder tragthistorien. Desværre er det den bedste analogi, jeg har set, så vi sidder fast med det. Brug det med omhu.
sorte huller spin!
det er lidt af en underlig tanke, men sorte huller kan spinde. Stjerner roterer, og når kernen kollapser rotationshastighederne måde, vej op (den sædvanlige analogi er den af en skøjter, der bringer i armene og øger sin rotationshastighed). Efterhånden som stjernens kerne bliver mindre, roterer den hurtigere. Hvis det ikke helt har nok masse til at blive et sort hul, bliver sagen presset sammen for at danne en neutronstjerne, en kugle af neutroner et par kilometer på tværs. Vi har opdaget hundredvis af disse objekter, og de har tendens til at spinde meget hurtigt, nogle gange hundredvis af gange i sekundet!
det samme gælder for et sort hul. Selv når sagen krymper mindre end begivenhedshorisonten og går tabt for det ydre univers for evigt, drejer sagen stadig. Det er ikke helt klart, hvad det betyder, hvis du forsøger at beregne, hvad der sker med sagen, når det er inde i begivenhedshorisonten. Forhindrer centrifugalkraften det i at kollapse helt ned til Planck-længden? Matematikken er djævelsk, men gør-stand, og indebærer, at materie, der falder ind, vil ramme materie inde i begivenhedshorisonten og forsøge at falde yderligere, men ude af stand til på grund af rotation, dette medfører en massiv bunke og nogle ret spektakulære fyrværkeri … som vi aldrig vil se, fordi det er på den anden side af uendelig. Bummer.
i nærheden af et sort hul bliver tingene underlige.
det sorte huls spin kaster en abe i skruenøglen i begivenhedshorisonten. Sorte huller forvrider selve rummets stof, og hvis de spinder, bliver forvrængningen selv forvrænget. Rummet kan blive viklet rundt om et sort hul — ligesom stoffet på et ark bliver fanget i en roterende borekrone.
dette skaber et område af rummet uden for begivenhedshorisonten kaldet ergosfæren. Det er en oblate sfæroid, en flad boldform, og hvis du er uden for begivenhedshorisonten, men inde i ergosfæren, finder du, at du ikke kan sidde stille. Bogstaveligt. Rummet bliver trukket forbi dig, og bærer dig sammen med det. Du kan let bevæge dig i retning af rotationen af det sorte hul, men hvis du prøver at svæve, kan du ikke. faktisk inde i ergosfæren rummet bevæger sig hurtigere end lys! Materie kan ikke bevæge sig så hurtigt, men det viser sig, ifølge Einstein, at rummet selv kan. Så hvis du vil svæve over et sort hul, skal du bevæge dig hurtigere end lys i retningen modsat spin. Du kan ikke gøre det, så du skal flytte med spin, flyve væk eller falde ind. Det er dine valg.
jeg foreslår at flyve væk. Hurtig. Fordi …
at nærme sig et sort hul kan dræbe dig på sjove måder. Og med sjov, jeg mener grusomt, gruopvækkende, og virkelig virkelig ookie.
jo da, hvis du kommer for tæt, plop! Du falder i. Men selvom du holder din afstand, er du stadig i problemer …
tyngdekraften afhænger af afstanden. Jo længere du er fra et objekt, jo svagere er dens tyngdekraft. Så hvis du har en lang genstand nær en massiv, vil den lange genstand føle en stærkere tyngdekraft i den nærmeste ende versus en svagere kraft i den fjerne ende! Denne ændring i tyngdekraften over afstand kaldes tidevandskraften (som er lidt af en misvisende betegnelse, Det er ikke rigtig en kraft, det er en differentiel kraft, og ja, det er relateret til hvorfor vi har havvande på jorden fra Månen).
sagen er, at sorte huller kan være små — en BH med en masse på cirka tre gange solen har en begivenhedshorisont kun få kilometer på tværs — og det betyder, at du kan komme tæt på dem. Og det betyder igen, at den tidevandskraft, du føler fra en, kan blive foruroligende stor.
lad os sige, at du falder fødderne først i en stjernemasse BH. Det viser sig, at når du nærmer dig, kan forskellen i tyngdekraften mellem dit hoved og dine fødder blive enorm. STOR. Kraften kan være så stærk, at dine fødder bliver trukket væk fra dit hoved med hundreder af millioner gange Jordens tyngdekraft. Du ville blive strakt ind i en lang, tynd streng og derefter strimlet.
astronomer kalder denne spaghettificering. Ad.
så det er farligt at komme tæt på et sort hul, selvom du ikke falder ind. Åbenbart, der virkelig er en tidevand i anliggender af mænd.
sorte huller er ikke altid mørke.
sagen er, sorte huller kan dræbe langt væk.
materie, der falder i et sort hul, ville sjældent, hvis nogensinde, bare falde lige ind og forsvinde. Hvis den har en lille smule sidelæns bevægelse, går den rundt om det sorte hul. Efterhånden som mere stof falder ind, kan alt dette skrammel hobe sig op omkring hullet. På grund af den måde, roterende genstande opfører sig på, vil denne sag skabe en skive af materiale, der hvirvler vildt rundt om hullet, og fordi hulets tyngdekraft ændrer sig så hurtigt med afstanden, vil materie tæt på kredser meget hurtigere end ting længere ude. Denne sag gnider bogstaveligt sammen og genererer varme gennem friktion. Disse ting kan blive rigtig varme, som millioner af grader varme. Matter, at varmt lyser med intens lysstyrke … hvilket betyder, at nær det sorte hul kan denne sag være alvorligt lysende.
værre, magnetiske og andre kræfter kan fokusere to stråler af energi, der går pløjning ud af polerne på disken. Bjælkerne starter lige uden for det sorte hul, men kan ses i millioner eller endda milliarder lysår fjernt.
de er lyse.
faktisk kan sorte huller, der spiser stof på denne måde, gløde så stærkt, at de bliver de lyseste kontinuerligt udsendte objekter i universet! Vi kalder disse aktive sorte huller.
og som om sorte huller ikke er farlige nok, bliver sagen så varm lige før det gør det sidste spring, at det rasende kan udsende røntgenstråler, højenergiformer af lys (og bjælkerne kan udsende endnu højere energilys end det). Så selvom du parkerer dit rumskib godt uden for begivenhedshorisonten for et sort hul, hvis noget andet falder ind og bliver makuleret, bliver du belønnet ved at blive stegt af svarende til en tandprøve.
jeg har måske nævnt dette: sorte huller er farlige. Bedst at holde sig væk fra dem.
sorte huller er ikke altid farlige.
når det er sagt, lad mig stille dig et spørgsmål: hvis jeg skulle tage solen og erstatte den med Folgers krystaller et sort hul af nøjagtig samme masse, hvad ville der ske? Ville jorden falde ind, blive kastet væk eller bare bane som den altid gør?
de fleste mennesker tror, at jorden ville falde ind, suget ubønhørligt ned af det sorte huls kraftige tyngdekraft. Men husk, at tyngdekraften, du føler fra et objekt, afhænger af objektets masse og din afstand fra det. Jeg sagde, at det sorte hul har samme masse som Solen, husker du? Og Jordens afstand har ikke ændret sig. Så tyngdekraften, vi ville føle herfra, 150 millioner kilometer væk, ville være nøjagtig den samme! Så jorden ville bane solens sorte hul lige så pænt som det kredser om Solen nu.
selvfølgelig ville vi fryse ihjel. Du kan ikke få alt.
sorte huller kan blive store.
spørgsmål: Hvad sker der, hvis to sorte huller i stjernemasse kolliderer?
A: Du får et større sort hul.
du kan ekstrapolere derfra. Sorte huller kan spise andre genstande, herunder andre sorte huller, så de kan vokse. Vi tror, at tidligt i universet, da galakser netop dannede sig, kan stof, der samler sig i midten af den spirende galakse, kollapse for at danne et meget massivt sort hul. Efterhånden som mere stof falder ind, spiser hullet grådigt det og vokser. Til sidst får du et supermassivt sort hul, et med millioner eller endda milliarder gange Solens masse.
Husk dog, at når materien falder i det, kan det blive varmt. Det kan være så varmt, at trykket fra selve lyset kan sprænge materiale, der er længere ude, lidt som solvinden, men i en meget større skala. Vindens styrke afhænger af mange ting, herunder massen af det sorte hul; jo heftigere hullet, jo blæsere vinden. Denne vind forhindrer mere stof i at falde ind, så det fungerer som en afskæringsventil til det stadig mere omkransede hul.
ikke kun det, men med tiden bliver gas og støv omkring det sorte hul (godt, temmelig langt ud, men stadig nær midten af galaksen) forvandlet til stjerner. Gas kan lettere falde i et sort hul end stjerner (hvis gasskyer kolliderer med hovedet på deres bevægelse i forhold til det sorte hul kan stoppe, så de kan falde ind; stjerner er for små og for langt fra hinanden til at dette kan ske). Så til sidst stopper det sorte hul med at forbruge stof, fordi intet mere falder ind i det. Det holder op med at vokse, galaksen bliver stabil, og alle er glade.
faktisk, når vi ser ind i universet i dag, ser vi, at stort set hver stor galakse har et supermassivt sort hul i sit hjerte. Selv Mælkevejen har et sort hul i sin kerne med en masse på fire millioner gange Solens. Før du begynder at løbe rundt i cirkler og skrige, husk dette: 1) Det er langt væk, 26.000 lysår (260 kvadrillion kilometer), 2) dens masse er stadig meget lille sammenlignet med de 200 milliarder solmasser i vores galakse, og derfor 3) det kan ikke rigtig skade os. Medmindre det begynder aktivt at fodre. Men det kan begynde på et tidspunkt, hvis noget falder i det. Selvom vi ikke ved noget, der snart kan falde ind i det. Men vi savner måske kold gas.
Hmmm.
husk alligevel også dette: selvom sorte huller kan forårsage død og ødelæggelse i stor skala, hjælper de også galakser selv med at danne! Så vi skylder vores eksistens til dem.
sorte huller kan være lav densitet.
af alle de underlige om sorte huller er denne den mærkeligste for mig.
som man kunne forvente, bliver begivenhedshorisonten for et sort hul større, efterhånden som massen bliver større. Det skyldes, at hvis du tilføjer masse, bliver tyngdekraften stærkere, hvilket betyder, at begivenhedshorisonten vil vokse.
hvis du gør matematikken omhyggeligt, finder du, at begivenhedshorisonten vokser lineært med massen. Med andre ord, hvis du fordobler det sorte huls masse, fordobles begivenhedshorisontradiusen også.
det er underligt! Hvorfor?
volumenet af en kugle afhænger af kuben af radius (tænk tilbage til gymnasiet: volumen = 4/3 stk. Dobbelt radius, og lydstyrken går op med 2 gange 2 gange 2 = 8 gange. Gør radius af en kugle 10 gange større, og lydstyrken stiger med en faktor på 10 gange 10 gange 10 = 1000.
så volumen stiger virkelig hurtigt, når du øger størrelsen på en kugle.
forestil dig nu, at du har to kugler af ler, der er af samme størrelse. Klump dem sammen. Er den resulterende kugle dobbelt så stor?
Nej! Du har fordoblet massen, men radius øges kun lidt. Fordi volumen går som radius cubed, for at fordoble radius af din endelige lerkugle, skal du klumpe sammen otte af dem.
men det er anderledes end et sort hul. Dobbelt massen, dobbelt størrelsen på begivenhedshorisonten. Det har en underlig implikation…
densitet er, hvor meget masse der pakkes i et givet volumen. Hold størrelsen den samme og tilføj masse, og densiteten går op. Forøg lydstyrken, men hold massen den samme, og densiteten går ned. Forstået?
så lad os nu se på den gennemsnitlige massefylde inden for det sorte huls begivenhedshorisont. Hvis jeg tager to identiske sorte huller og kolliderer dem, fordobles begivenhedshorisontstørrelsen, og massen fordobles også. Men lydstyrken er steget otte gange! Så densiteten falder faktisk, og er 1/4, hvad jeg startede med (to gange massen og otte gange volumenet giver dig 1/4 densiteten). Bliv ved med at gøre det, og tætheden falder.
et almindeligt sort hul — det vil sige et med tre gange Solens masse — med en begivenhedshorisontradius på cirka 9 km. Det betyder, at den har en enorm tæthed, ca.to kvadrillion gram pr. Men dobbelt massen, og densiteten falder med en faktor på fire. Sæt i 10 gange massen og densiteten falder med en faktor på 100. En milliard solmasse sort hul (stort, men vi ser dem så store i galaksecentre) ville falde den tæthed med en faktor på 1 gange 1018. Det ville give det en tæthed på omkring 1/1000 af et gram pr cc… og det er tætheden af luft!
en milliard solmasse sort hul ville have en begivenhedshorisont 3 milliarder km i radius — omtrent afstanden fra Neptun til Solen.
se hvor jeg skal hen her? Hvis du skulle reb fra solsystemet ud forbi Neptun, omslutte det i en kæmpe kugle og fylde det med luft, ville det være et sort hul!
det er for mig langt det mærkeligste ved sorte huller. Jo da, de fordrejer plads, fordrejer tiden, leger med vores fornemmelse af, hvad der er ægte og ikke er… men når de rører ved hverdagen og skruer med det, ja, det er det, der får mig.
jeg tænkte først på dette på en Black hole-konference i Stanford for et par år tilbage. Jeg gik med den bemærkede sorte hulekspert Roger Blandford, da det ramte mig. Jeg lavede en hurtig mental beregning for at sikre, at jeg havde tallene rigtigt, og relateret til Roger, at et solsystem fuld af luft ville være et sort hul. Han tænkte over det et øjeblik og sagde, “ja, det lyder om rigtigt.”
og det, mig droogs, var et af de sejeste øjeblikke i mit hulliv. Men at tænke på det gør stadig min hjerne ondt.
konklusion
Nå, hvad kan jeg sige? Sorte huller er underlige.
som det sker, var der selvfølgelig meget mere, der kunne siges om dem. Hvad med ormehuller? Hvad med hvordan de dannes? hvad med strålingen? Kan sorte huller helt fordampe?
du kan finde svar på disse og andre spørgsmål andre steder på nettet (og endda på denne meget blog); jeg kunne ikke dække alt i kun ti sektioner! Men jeg vil bemærke (shocker) det kapitel 5 i min bog Death from The Skies! taler detaljeret om, hvordan de dannes, og hvad de kan gøre, hvis du kommer for tæt på dem. Senere kapitler taler også om det sorte hul i kernen af Mælkevejen, og hvad der vil ske med sorte huller i lang tid fra nu… bogstaveligt talt, 1060, 1070, endda en googol år fra nu.
men selv da er det ikke det mest skræmmende ved sorte huller. Jeg lagde næsten ikke dette i indlægget, det er så over toppen mind-numbingly gruopvækkende. Men jeg er videnskabsmand, og vi er skeptikere her, så vi kan tage det. Så jeg præsenterer dig, det værste ved sorte huller af alle: