No, jsou černé a jsou jako bezedné díry. Jak byste je nazval?- Já, když se mě přítel zeptal, proč jsou pojmenováni, co jsou
Ah, černé díry. Konečný vyvolávač chvění vesmíru, žraloci, pavouci, děsiví … něco děsivého. Ale fascinují nás, nepochybujeme — i když o nich moc nerozumíme.
ale pak, to je důvod, proč jsem tady. Dovolte mi být vaším průvodcem do nekonečna. Nebo obráceně, předpokládám. Protože je Halloween, zdá se to vhodné … a moje kniha smrt z nebe! právě vyšel ven a existuje spousta způsobů, jak černá díra může zničit Zemi. Mwuhahahaha.
níže uvádím deset faktů o černých dírách-třetí v mé sérii deseti věcí, které nevíte (první byla na Mléčné dráze; druhá o Zemi). Pravidelní čtenáři budou znát několik z nich, protože jsem o nich už mluvil, ale doufám,že to všechno neznáte. A pokud ano, pak neváhejte zanechat komentář preening o vašem nadřazeném intelektu. Myslete na to, tento seznam není zdaleka úplný: pravděpodobně jsem si mohl vybrat 50 věci, které jsou na černých dírách divné. Ale tyhle se mi líbí.
není to jejich hmotnost, je to jejich velikost, která je činí tak silnými.
OK, za prvé, opravdu rychlý primer na černé díry. Mějte se mnou!
nejběžnějším způsobem, jak se černá díra vytvoří, je jádro Masivní hvězdy. Jádro vyčerpá palivo a zhroutí se. Tím se spustí rázová vlna, která vyhodí vnější vrstvy hvězdy a způsobí supernovu. Takže srdce hvězdy se zhroutí, zatímco zbytek exploduje ven (toto je verze Cliffových poznámek; pro více informací o procesu-což je skvělé, takže byste si to měli přečíst-podívejte se na můj popis).
jak se jádro zhroutí, jeho gravitace se zvyšuje. V určitém okamžiku, když jádro je dost masivní (asi 3 krát hmotnost Slunce), gravitace je tak silná, že přímo na povrchu hroutící se jádro únikové rychlosti zvyšuje rychlost světla. To znamená, že nic nemůže uniknout gravitaci tohoto objektu, ani světlu. Takže je černá. A protože nic nemůže uniknout, přečtěte si nabídku v horní části stránky.
oblast kolem samotné černé díry, kde se úniková rychlost rovná rychlosti světla, se nazývá horizont událostí. Každá událost, která se v ní stane, je navždy neviditelná.
OK, takže teď víte, co je a jak se tvoří. Mohl bych vysvětlit, proč mají tak silnou gravitaci, ale víte co? Radši bych ho nechal udělat. Slyšel jsem, že je dobrý.
Tak tady to máte. Jistě, hmota je důležitá, ale někdy se počítají maličkosti.
nejsou nekonečně malé.
takže OK, jsou malé, ale jak malé jsou?
ve své předchozí práci jsem psal o černých dírách a dostali jsme se do zábavné diskuse o tom, co jsme mysleli černou dírou: měli jsme na mysli samotný objekt, který se zhroutí do matematického bodu, nebo horizont událostí, který ho obklopuje? Řekl jsem horizont událostí, ale můj šéf řekl, že to byl objekt. Rozhodl jsem se, že má bod (HAHAHAHAHA! „Bod“! Člověče, zabiju mě), a ujistil jsem se, že když jsem psal o horizontu událostí versus samotné černé díře, dával jsem si jasně najevo.
jak jsem řekl výše, hroutícímu se jádru jeho hodiny stále tikají, takže vidí, že se hroutí až do bodu, i když horizont událostí má nějakou konečnou velikost.
co se stane s jádrem? Skutečná hmota, která se zhroutila?
tady se to nikdy nedozvíme. Nevidíme dovnitř, a je jisté, že nebude posílat žádné informace ven. Ale naše matematika v těchto situacích je docela dobrá a můžeme je alespoň aplikovat na hroutící se jádro, i když je menší než horizont událostí.
bude se dále zhroutit a gravitace se zvýší. Menší, menší … a když jsem byl dítě, vždycky jsem četl, že se zhroutí až na geometrickou tečku, objekt bez rozměrů. To mě opravdu odposlouchávalo, jak si dokážete představit … stejně by to mělo. Protože je to špatně.
v určitém okamžiku bude zhroucené jádro menší než atom, menší než jádro, menší než elektron. Nakonec dosáhne velikosti zvané Planckova délka, jednotky tak malé, že jí kvantová mechanika vládne železnou pěstí. Planckova délka je druh kvantové velikosti: pokud se objekt zmenší, doslova o něm nemůžeme s jistotou vědět mnoho. Skutečná fyzika je komplikovaná, ale když hroutící se jádro zasáhne tuto velikost, i kdybychom mohli nějak prorazit horizont událostí, nemohli bychom změřit jeho skutečnou velikost. Ve skutečnosti termín „skutečná velikost“ ve skutečnosti nic neznamená v tomto měřítku. Pokud vám vesmír sám brání v měření, můžete také říci, že termín nemá žádný význam.
a jak malá je Planckova délka? Malinký: asi 10^-35 metrů. To je sto kvintillionth velikosti protonu.
takže pokud někdo říká, že černá díra má nulovou velikost, můžete být všichni podivínští a techničtí a říkat, ne opravdu, ale meh. Dost blízko.
jsou to koule. A rozhodně nejsou ve tvaru trychtýře.
gravitace, kterou cítíte z objektu, závisí na dvou věcech: hmotnosti objektu a vaší vzdálenosti od tohoto objektu. To znamená, že kdokoli v dané vzdálenosti od masivního objektu-řekněme milionu kilometrů-by z něj cítil stejnou gravitační sílu. Tato vzdálenost definuje kouli kolem objektu: kdokoli na povrchu této koule by cítil stejnou gravitaci od objektu ve středu.
velikost horizontu událostí černé díry závisí na gravitaci, takže horizont událostí je koule obklopující černou díru. Z vnějšku, pokud byste mohli přijít na to, jak vidět horizont událostí na prvním místě, vypadalo by to jako černá koule.
někteří lidé si myslí, že černé díry jsou kruhy nebo horší, ve tvaru trychtýře. Trychtýř věc je mylná představa od lidí, kteří se snaží vysvětlit gravitaci jako ohýbání v prostoru, a zjednodušit redukcí z 3D prostoru do 2D; říká se, že prostor je jako prostěradlo, a objekty s hmotností ohýbat prostor stejným způsobem, že masivní objekt (kouli) bude warp prostěradlo. Ale prostor není 2D, je to 3D (i 4D, pokud zahrnete čas), a tak toto vysvětlení může zmást lidi o skutečném tvaru horizontu událostí černé díry.
děti se mě ptají, co se stane, když se přiblížíte k černé díře zespodu! Někdy nechápou, že černé díry jsou koule a pod nimi není žádná. Obviňuji příběh trychtýře. Bohužel, je to nejlepší analogie, jakou jsem viděl, takže jsme se toho drželi. Používejte ji opatrně.
černé díry se točí!
je to trochu zvláštní myšlenka, ale černé díry se mohou točit. Hvězdy se otáčejí, a když se jádro zhroutí, rychlost otáčení se zvyšuje (obvyklá analogie je analogie bruslaře, který přináší v náručí a zvyšuje rychlost rotace). Jak se jádro hvězdy zmenšuje, otáčí se rychleji. Pokud to není úplně dostatek hmoty, aby se stala černá díra, věc dostane vymačkané spolu tvořit neutronové hvězdy, koule neutronů pár kilometrů. Zjistili jsme stovky těchto objektů a mají tendenci se točit velmi rychle, někdy stokrát za sekundu!
totéž platí pro černou díru. I když se hmota zmenšuje menší než horizont událostí a navždy se ztrácí s vnějším vesmírem, hmota se stále točí. Není zcela jasné, co to znamená, pokud se snažíte vypočítat, co se stane s věcí, jakmile je uvnitř horizontu událostí. Zabraňuje odstředivá síla tomu, aby se zhroutila až do Planckovy délky? Matematika je ďábelský, ale do-moci, a znamená, že věc spadající do zasáhne věc uvnitř horizontu událostí se snaží dále klesat, ale nemůže se v důsledku rotace, To způsobí masivní hromadu a některé docela velkolepé ohňostroje … to, že jsme nikdy vidět, protože je na druhé straně nekonečna. Průšvih.
v blízkosti černé díry se věci stávají divnými.
roztočení černé díry hodí opici do klíče horizontu událostí. Černé díry deformují strukturu samotného prostoru, a pokud se točí, zkreslení se samo o sobě zkreslí. Prostor, může být omotal kolem černé díry — jako textilie list přistižení v rotující vrták.
tím se vytvoří oblast prostoru mimo horizont událostí zvaná ergosféra. Je to zploštělý sféroid, zploštělý tvar koule, a pokud jste mimo horizont událostí, ale uvnitř ergosféry, zjistíte, že nemůžete sedět. Doslova. Prostor je tažen kolem vás, a nese vás spolu s ním. Můžete snadno pohybovat ve směru rotace černé díry, ale pokud se budete snažit pohybovat, nemůžeš. Ve skutečnosti, uvnitř ergosphere prostoru se pohybuje rychleji než světlo! Hmota se nemůže pohybovat tak rychle, ale podle Einsteina se ukázalo, že samotný prostor může. Takže pokud se chcete vznášet nad černou dírou, musíte se pohybovat rychleji než světlo ve směru naproti rotaci. To nemůžete udělat, takže se musíte pohybovat rotací, odletět nebo spadnout. To jsou vaše volby.
navrhuji odletět. Rychlý. Protože …
blížící se k černé díře vás může zabít zábavnými způsoby. A zábavou, myslím příšerný, děsivý, a opravdu opravdu ookie.
jistě, pokud se dostanete příliš blízko, plop! Spadneš dovnitř. Ale i když si udržujete vzdálenost, stále máte potíže …
gravitace závisí na vzdálenosti. Čím dále jste od objektu, tím slabší je jeho gravitace. Takže pokud máte dlouhý objekt poblíž masivního, dlouhý objekt pocítí silnější gravitační sílu na Blízkém konci oproti slabší síle na vzdáleném konci! Tato změna gravitace na dálku se nazývá slapová síla (což je trochu nesprávné pojmenování, to je opravdu síla, to je diferenciální platnost, a ano, souvisí to s tím, proč máme přílivy oceánu na Zemi z Měsíce).
problém je, Že černé díry mohou být malé — BH s hmotností asi třikrát Slunce má horizont událostí, jen pár kilometrů — a to znamená, že se můžete dostat blízko k nim. A to zase znamená, že přílivová síla, kterou cítíte od jednoho, může být znepokojivě velká.
řekněme, že spadnete nohama nejprve do hvězdné hmoty BH. Ukazuje se, že když se přiblížíte, rozdíl v gravitaci mezi hlavou a nohama může být obrovský. OBROVSKÝ. Síla může být tak silná, že se vaše nohy odtrhnou od hlavy se stamiliony násobkem síly zemské gravitace. Natáhli byste se do dlouhého, tenkého pramene a pak rozdrtili.
astronomové nazývají toto špagety. Ewwww.
takže dostat se blízko černé díry je nebezpečné, i když nespadnete. Je zřejmé, že ve věcech mužů je opravdu příliv.
černé díry nejsou vždy tmavé.
jde o to, že černé díry mohou zabíjet z velké vzdálenosti.
hmota padající do černé díry by zřídka, pokud vůbec, prostě spadla přímo dovnitř a zmizela. Pokud má trochu bočního pohybu, půjde kolem černé díry. Jak padá více hmoty, všechno toto harampádí se může hromadit kolem díry. Protože způsob, rotující objekty se chovají, tato záležitost bude vytvořit disk z materiálu šíleně víří kolem otvoru, a protože gravitace díry změny tak rychle se vzdáleností, záležitost bude obíhají mnohem rychleji, než věci dál. Tato záležitost se doslova tře dohromady a vytváří teplo třením. Tohle může být opravdu horké, jako miliony stupňů horké. Hmota, která svítí intenzivním jasem … což znamená, že v blízkosti černé díry může být tato hmota vážně světelná.
horší je, že magnetické a jiné síly mohou zaměřit dva paprsky energie, které vyorávají z pólů disku. Paprsky začínají těsně za černou dírou, ale lze je vidět na miliony nebo dokonce miliardy světelných let vzdálené.
jsou jasné.
ve skutečnosti mohou černé díry, které jedí hmotu tímto způsobem, zářit tak jasně, že se stanou nejjasnějšími nepřetržitě emitujícími objekty ve vesmíru! Nazýváme tyto aktivní černé díry.
A co když černé díry nejsou dost nebezpečné, věc dostane tak horké, těsně předtím, než to dělá na poslední skok, který může zuřivě emitují X-paprsky, vysoce-energetické formy světla (a nosníků může vyzařovat i vyšší energie světla, než to). Takže i když jste zaparkovat své vesmírné lodi i mimo horizont událostí černé díry, pokud něco spadne a dostane drcené, budete odměněn tím, že smažená o ekvivalent triliony zubní zkoušky.
možná jsem zmínil toto: černé díry jsou nebezpečné. Nejlepší je držet se od nich dál.
černé díry nejsou vždy nebezpečné.
poté, co jsem to řekl, Dovolte mi položit otázku: Kdybych měl vzít slunce a nahradit ho krystaly Folgers černou dírou přesně stejné hmotnosti, co by se stalo? Spadla by Země, odhodila by se, nebo by obíhala jako vždy?
většina lidí si myslí, že země spadne, neúprosně nasávána silnou gravitací černé díry. Nezapomeňte však, že gravitace, kterou cítíte z objektu, závisí na hmotnosti objektu a vaší vzdálenosti od něj. Řekl jsem, že černá díra má stejnou hmotnost jako slunce, pamatuješ? A vzdálenost země se nezměnila. Takže gravitace, kterou bychom cítili odtud, 150 milionů kilometrů daleko, by byla úplně stejná! Takže země by obíhala kolem sluneční černé díry stejně hezky jako nyní obíhá kolem Slunce.
samozřejmě bychom umrzli. Nemůžeš mít všechno.
černé díry mohou být velké.
otázka: co se stane, když se srazí dvě černé díry s hvězdnou hmotou?
A: dostanete jednu větší černou díru.
odtud můžete extrapolovat. Černé díry mohou jíst jiné předměty, včetně jiných černých děr, takže mohou růst. Myslíme si, že na počátku Vesmíru, kdy galaxie se právě tvoří, otázkou vyzvednutí v centru rodící se galaxie mohou zhroutit tvoří velmi masivní černá díra. Jak padá více hmoty, díra ji lačně spotřebovává a roste. Nakonec dostanete supermasivní černou díru, jednu s miliony nebo dokonce miliardami násobku hmotnosti Slunce.
nezapomeňte však, že jak hmota spadne, může se zahřát. Může to být tak horké, že tlak ze světla sám může odfouknout materiál, který je dále ven, trochu jako sluneční vítr, ale v mnohem větším měřítku. Síla větru závisí na mnoha věcech, včetně hmotnosti černé díry; čím silnější je díra, tím větrnější je vítr. Tento vítr zabraňuje pádu více hmoty, takže funguje jako mezní ventil pro stále více obvodový otvor.
nejen to, ale časem se plyn a prach kolem černé díry (dobře, docela daleko, ale stále blízko středu galaxie) změní na hvězdy. Plyn může spadnout do černé díry snadněji než hvězdy (pokud se plynové mraky srazí hlavou-jejich pohyb vzhledem k černé díře se může zastavit, což jim umožní spadnout; hvězdy jsou příliš malé a příliš daleko od sebe, aby se to stalo). Takže nakonec černá díra přestane konzumovat hmotu, protože do ní už nic nespadá. Přestane růst, galaxie se stává stabilní a všichni jsou šťastní.
ve skutečnosti, když se dnes podíváme do vesmíru, vidíme, že téměř každá velká galaxie má ve svém srdci supermasivní černou díru. Dokonce i Mléčná dráha má ve svém jádru černou díru s hmotností čtyř milionů krát větší než Slunce. Než začnete běhat v kruzích a křičet, pamatujte si to: 1) je to daleko, 26 000 světelných let (260 kvadrilionů kilometrů), 2) jeho hmotnost je stále velmi malá ve srovnání s 200 miliardami slunečních hmot naší Galaxie, a proto 3) nemůže nám opravdu ublížit. Pokud nezačne aktivně krmit. Což není, ale může to někdy začít, pokud do toho něco spadne. I když nevíme o ničem, co by do toho mohlo brzy spadnout. Ale může nám chybět studený plyn.
Hmmm.
každopádně si to pamatujte: i když černé díry mohou ve velkém měřítku způsobit smrt a zničení, pomáhají také formovat galaxie! Takže jim dlužíme naši existenci.
černé díry mohou mít nízkou hustotu.
ze všech podivností o černých dírách je pro mě tato nejpodivnější.
jak můžete očekávat, horizont událostí černé díry se zvětšuje, jak se hmota zvětšuje. Je to proto, že pokud přidáte hmotnost, gravitace zesílí, což znamená, že horizont událostí poroste.
pokud matematiku provedete opatrně, zjistíte, že horizont událostí roste lineárně s hmotností. Jinými slovy, pokud zdvojnásobíte hmotnost černé díry, poloměr horizontu událostí se také zdvojnásobí.
to je divné! Proč?
objem koule závisí na krychli poloměru (přemýšlejte o cestě zpět na střední školu: objem = 4/3 x π x radius3). Zdvojnásobte poloměr a hlasitost se zvýší o 2 x 2 x 2 = 8krát. Udělejte poloměr koule 10krát větší a objem se zvýší o faktor 10 x 10 x 10 = 1000.
takže hlasitost stoupá opravdu rychle, jak zvětšujete velikost koule.
nyní si představte, že máte dvě koule hlíny stejné velikosti. Spojte je dohromady. Je výsledná koule dvakrát větší?
ne! Zdvojnásobili jste hmotnost, ale poloměr se jen trochu zvětšuje. Vzhledem k tomu, objem jde jako poloměr krychlový, zdvojnásobit poloměr vaší poslední hliněné koule, budete muset dát dohromady osm z nich.
ale to je něco jiného než černá díra. Zdvojnásobte hmotnost, zdvojnásobte velikost horizontu událostí. To má zvláštní důsledky…
hustota je kolik hmoty je zabaleno do daného objemu. Udržujte velikost stejnou a přidejte hmotnost a hustota stoupá. Zvyšte hlasitost, ale udržujte hmotnost stejnou a hustota klesá. Máš to?
nyní se podívejme na průměrnou hustotu hmoty uvnitř horizontu událostí černé díry. Pokud vezmu dvě identické černé díry a srazím je, velikost horizontu událostí se zdvojnásobí a hmotnost se také zdvojnásobí. Ale objem se zvýšil osmkrát! Hustota skutečně klesá a je 1/4 toho, s čím jsem začal (dvojnásobek hmotnosti a osminásobek objemu vám dává 1/4 hustoty). Pokračujte v tom a hustota klesá.
pravidelná černá díra – tedy jedna s trojnásobkem hmotnosti Slunce-s poloměrem horizontu událostí asi 9 km. To znamená, že má obrovskou hustotu, asi dva kvadriliony gramů na krychlový cm (2 x 1015). Ale zdvojnásobte hmotnost a hustota klesne o faktor čtyři. Vložte 10násobek hmotnosti a hustota klesne o faktor 100. Miliarda sluneční hmoty černá díra (velká, ale vidíme je tak velké v centrech galaxií) by tuto hustotu snížila o faktor 1 x 1018. To by mu dalo hustotu zhruba 1/1000 gramu na Kubík … a to je hustota vzduchu!
miliarda sluneční hmoty černá díra by měla horizont událostí o poloměru 3 miliardy km-zhruba vzdálenost Neptunu od Slunce.
vidíš, kam jdu? Pokud byste měli vytáhnout sluneční soustavu kolem Neptunu, uzavřít ji do obří koule a naplnit ji vzduchem, byla by to černá díra!
to je pro mě zdaleka nejpodivnější věc na černých dírách. Jistě, že deformují prostor, narušit čas, hrát si s naším smyslem pro to, co je skutečné a co není… ale když dotek na každý den a šroub s tím, no, to je to, co mě dostane.
poprvé jsem o tom přemýšlel na konferenci o černé díře ve Stanfordu před několika lety. Šel jsem se známým odborníkem na černé díry Rogerem Blandfordem, když mě to zasáhlo. Udělal jsem rychlý mentální výpočet, abych se ujistil, že mám správná čísla, a souvisí s Rogerem, že sluneční soustava plná vzduchu bude černá díra. Chvíli o tom přemýšlel a řekl: „ano, to zní správně.“
a to, já droogs, byl jeden z nejlepších okamžiků mého života. Ale když o tom přemýšlím, pořád mě bolí mozek.
závěr
No, co mohu říci? Černé díry jsou divné.
jak už to tak bývá, bylo toho o nich samozřejmě mnohem víc. A co červí díry? A jak se tvoří? a co Hawkingova radiace? Mohou se černé díry úplně vypařit?
odpovědi na tyto a další otázky najdete jinde na webu (a dokonce i na tomto blogu); nemohl jsem pokrýt vše v pouhých deseti sekcích! Ale všimnu si (šokující), že kapitola 5 mé knihy smrt z nebe! podrobně hovoří o tom, jak se tvoří, a co mohou dělat, pokud se k nim dostanete příliš blízko. Pozdější kapitoly také hovoří o černé díře v jádru Mléčné dráhy a o tom, co se stane s černými dírami za dlouhou dobu … doslova 1060, 1070, dokonce i za googol roky.
ale ani tehdy to není ta nejděsivější věc na černých dírách. Skoro jsem to nedal do příspěvku, je to tak přes vrchol mysli-necitlivě děsivé. Ale já jsem vědec a jsme tady skeptici, takže to zvládneme. Takže vám představuji to nejhorší na černých dírách ze všech: