nos, feketék, és olyanok, mint a feneketlen lyukak. Minek neveznéd őket?- Én, amikor egy barátom megkérdezte tőlem, miért nevezik őket
Ah, fekete lyukak. A kozmosz végső borzongás-indukálója, a cápák, a pókok, a félelmetes … valami ijesztő. De lenyűgöznek minket, nincs kétség — még akkor is, ha nem sokat értünk róluk.
de akkor, ezért vagyok itt. Engedje meg, hogy én legyek a végtelenbe vezető Útikalauz. Vagy fordítva, azt hiszem. Mivel Halloween van, ez helyénvalónak tűnik … és a halál az égből című könyvem! most jött ki, és egy fekete lyuk sokféleképpen képes elpusztítani a Földet. Mwuhahahaha.
tehát az alábbiakban tíz tényt mutatok be a fekete lyukakról — a harmadik a tíz dologból álló sorozatomban ,amit nem tudsz (az első a Tejúton volt; a második a földről). A rendszeres olvasók tudni fogják ezek közül néhányat, mivel korábban már beszéltem róluk, de remélem, hogy nem ismeri ezeket. És ha igen, akkor nyugodtan hagyjon megjegyzést a felsőbbrendű intellektusáról. Ne feledd, ez a lista közel sem teljes: valószínűleg kiválaszthattam volna 50 furcsa dolgok a fekete lyukakkal kapcsolatban. De ezeket szeretem.
nem a tömegük, hanem a méretük teszi őket olyan erőssé.
OK, először is, egy nagyon gyors alapozó a fekete lyukakon. Tarts ki velem!
a fekete lyuk kialakulásának leggyakoribb módja egy hatalmas csillag magjában van. A mag kifogy az üzemanyagból, és összeomlik. Ez lökéshullámot indít el, felrobbantva a csillag külső rétegeit, szupernóvát okozva. Tehát a csillag szíve összeomlik, míg a többi kifelé robban (ez a Cliff ‘ s notes verzió; további részletekért a folyamatról — ami nagyon jó, ezért el kell olvasnod-nézd meg a leírásomat).
ahogy a mag összeomlik, gravitációja növekszik. Egy bizonyos ponton, ha a mag elég masszív (a Nap tömegének körülbelül 3-szorosa), a gravitáció olyan erős lesz, hogy közvetlenül az összeomló mag felszínén a menekülési sebesség a fénysebességig növekszik. Ez azt jelenti, hogy semmi sem kerülheti el ennek a tárgynak a gravitációját, még a fény sem. Szóval fekete. Mivel semmi sem menekülhet el, olvassa el az oldal tetején található idézetet.
maga a fekete lyuk körüli régiót, ahol a menekülési sebesség megegyezik a fénysebességgel, eseményhorizontnak nevezzük. Minden olyan esemény, amely benne történik, örökre láthatatlan.
OK, tehát most már tudod, mi az, és hogyan alakulnak ki. Meg tudnám magyarázni, miért olyan erős a gravitációjuk, de tudod mit? Inkább hagyom, hogy ez a fickó csinálja. Úgy hallottam, jól van.
tehát tessék. Persze, a tömeg fontos, de néha a kis dolgok számítanak.
nem végtelenül kicsik.
tehát rendben, kicsik, de mennyire kicsik?
előző munkám során a fekete lyukakról írtam, és egy szórakoztató beszélgetésbe keveredtünk arról, hogy mit értünk fekete lyuk alatt: magát az objektumot értjük, amely egy matematikai pontra összeomlik, vagy az azt körülvevő eseményhorizontot? Azt mondtam, az eseményhorizont, de a főnököm azt mondta, hogy a tárgy. Úgy döntöttem, hogy van egy pontja (HAHAHAHAHA! Egy “pont”! Ember, megölöm magam), és gondoskodtam arról, hogy amikor az eseményhorizontról és magáról a fekete lyukról írtam, világossá tettem magam.
mint fentebb mondtam, az összeomló magnak az órája folyamatosan ketyeg, így látja magát összeomlani egészen egy pontig, még akkor is, ha az eseményhorizontnak van némi véges mérete.
mi történik a maggal? A tényleges tömeg, amely összeomlott?
itt, soha nem tudjuk biztosan. Nem látunk be, és az biztos, hogy nem küld ki semmilyen információt. De a matematikánk ezekben a helyzetekben nagyon jó, és legalább alkalmazhatjuk őket az összeomló magra, még akkor is, ha az kisebb, mint az eseményhorizont.
továbbra is összeomlik, és a gravitáció növekszik. Kisebb, kisebb… és amikor gyerek voltam, mindig azt olvastam, hogy összeomlik egészen egy geometriai pontig, egy tárgyig, amelynek egyáltalán nincs dimenziója. Ez nagyon idegesített, ahogy el tudod képzelni … ahogy kellene. Mert nem helyes.
egy bizonyos ponton az összeomló mag kisebb lesz, mint egy atom, kisebb, mint egy mag, kisebb, mint egy elektron. Végül eléri a Planck hossznak nevezett méretet, egy olyan kicsi egységet, hogy a kvantummechanika vasököllel uralja. A Planck hossza egyfajta kvantum mérethatár: ha egy tárgy ennél kisebb lesz, akkor szó szerint nem sokat tudunk róla semmilyen bizonyossággal. A tényleges fizika bonyolult, de nagyjából amikor az összeomló mag eléri ezt a méretet, még ha valahogy át is tudnánk hatolni az eseményhorizonton, nem tudnánk megmérni a valódi méretét. Valójában a “valós méret” kifejezés valójában nem jelent semmit ilyen léptékben. Ha maga az univerzum megakadályozza, hogy megmérje, akkor azt is mondhatja, hogy a kifejezésnek nincs jelentése.
és milyen kicsi a Planck hossza? Ici-pici: körülbelül 10^-35 méter. Ez egy százötvenhavonta akkora, mint egy proton.
tehát, ha valaki azt mondja, hogy a fekete lyuk mérete nulla, akkor lehet minden geeky és technikai, és azt mondják, nem igazán, de meh. Elég közel.
ezek gömbök. És határozottan nem tölcsér alakúak.
a gravitáció, amit egy tárgyról érzünk, két dologtól függ: a tárgy tömegétől és a tárgytól való távolságától. Ez azt jelenti, hogy bárki egy adott távolságban egy hatalmas tárgytól-mondjuk egy millió kilométerre-ugyanazt a gravitációs erőt érezné tőle. Ez a távolság meghatározza a gömböt egy objektum körül: a gömb felszínén bárki ugyanazt a gravitációt érezné a középpontban lévő tárgytól.
egy fekete lyuk eseményhorizontjának mérete a gravitációtól függ, tehát valójában az eseményhorizont a fekete lyukat körülvevő gömb. Kívülről nézve, ha meg tudná találni, hogyan látja az eseményhorizontot, úgy nézne ki, mint egy koromsötét gömb.
egyesek úgy gondolják, hogy a fekete lyukak körök, vagy ami még rosszabb, tölcsér alakúak. A tölcsér dolog egy tévhit az emberektől, akik megpróbálják megmagyarázni a gravitációt, mint a tér hajlítását, és egyszerűsítik a dolgokat azáltal, hogy a 3D teret 2D-be omlik; azt mondják, hogy a tér olyan, mint egy lepedő, és a tömeges tárgyak ugyanúgy hajlítják meg a teret, mint egy hatalmas tárgy (mondjuk egy bowling golyó). De a tér nem 2D, hanem 3D (még 4D is, ha az időt is beleszámítjuk), így ez a magyarázat összezavarhatja az embereket a fekete lyuk eseményhorizontjának tényleges alakjáról.
gyerekeim megkérdezték tőlem, mi történik, ha alulról közelítünk egy fekete lyukhoz! Néha nem értik, hogy a fekete lyukak gömbök,és nincs alatta. A tölcsér történetét hibáztatom. Sajnos, ez a legjobb hasonlat, amit láttam, így ragadtunk vele. Óvatosan használja.
fekete lyukak spin!
furcsa gondolat, de a fekete lyukak foroghatnak. A csillagok forognak, és amikor a mag összeomlik, a forgási sebességek felfelé haladnak (a szokásos analógia egy korcsolyázó, aki karjait hozza, növelve forgási sebességét). Ahogy a csillag magja kisebb lesz, gyorsabban forog. Ha nincs elég tömege ahhoz, hogy fekete lyukká váljon, az anyag összepréselődik, hogy neutroncsillagot képezzen, néhány kilométer átmérőjű neutrongolyót. Több száz ilyen tárgyat észleltünk, és hajlamosak nagyon gyorsan forogni, néha másodpercenként több százszor!
ugyanez igaz a fekete lyukra is. Még akkor is, ha az anyag kisebbre zsugorodik, mint az eseményhorizont, és örökre elveszik a külső Univerzum számára, az anyag még mindig forog. Nem teljesen világos, hogy ez mit jelent, ha megpróbálja kiszámítani, mi történik az anyaggal, ha az az eseményhorizonton belül van. A centrifugális erő megakadályozza az összeomlást egészen a Planck hosszáig? A matematika ördögi, de képes, és azt jelenti, hogy a beeső anyag eléri az anyagot az eseményhorizonton belül, próbál tovább esni, de nem képes a forgás miatt, ez hatalmas felhalmozódást és néhány nagyon látványos tűzijátékot okoz … amit soha nem fogunk látni, mert a végtelen túloldalán van. Szívás.
egy fekete lyuk közelében a dolgok furcsává válnak.
a fekete lyuk pörgetése egy majmot dob az eseményhorizont csavarkulcsába. A fekete lyukak eltorzítják a tér szövetét, és ha forognak, akkor maga a torzulás is eltorzul. A tér egy fekete lyuk köré tekerhető — olyan, mint egy lap szövete, amely egy forgó fúrófejbe kerül.
ez az eseményhorizonton kívüli térrészt hoz létre, az úgynevezett ergoszférát. Ez egy lapított gömb alakú gömb, és ha az eseményhorizonton kívül vagy, de az ergoszférán belül, rájössz, hogy nem tudsz nyugodtan ülni. Szó szerint. A tér áthúzódik melletted, és magával visz. Könnyedén mozoghat a fekete lyuk forgásirányában, de ha megpróbál lebegni, akkor nem. valójában az ergoszféra tér belsejében gyorsabban mozog, mint a fény! Az anyag nem tud ilyen gyorsan mozogni, de Einstein szerint kiderül, hogy maga a tér is képes. Tehát, ha egy fekete lyuk fölé akarsz lebegni, akkor a fénynél gyorsabban kell mozognod a forgással ellentétes irányba. Ezt nem teheti meg, ezért mozognia kell a centrifugálással, el kell repülnie, vagy bele kell esnie. Ezek a te döntéseid.
azt javaslom, repülj el. Gyorsan. Mert …
egy fekete lyuk megközelítése szórakoztató módon megölhet. És a móka alatt azt értem, hogy hátborzongató, rémisztő, és nagyon-nagyon ookie.
persze, ha túl közel, plop! Beleesel. De még ha távolságot is tartasz, akkor is bajban vagy …
a gravitáció a távolságtól függ. Minél távolabb van egy tárgytól, annál gyengébb a gravitációja. Tehát, ha van egy hosszú tárgy egy hatalmas közelében, akkor a hosszú tárgy erősebb gravitációs erőt fog érezni a közeli végén, szemben a távoli végén lévő gyengébb erővel! Ezt a távolságot meghaladó gravitációs változást árapályerőnek nevezzük (ami kissé téves elnevezés, valójában nem erő, hanem differenciális erő, és igen, összefügg azzal, hogy miért vannak a Földön az óceáni árapályok a Holdról).
a helyzet az, hogy a fekete lyukak lehetnek kicsik — a nap körülbelül háromszorosának tömegével rendelkező BH eseményhorizontja csak néhány kilométer átmérőjű — és ez azt jelenti, hogy közel lehet hozzájuk. Ez pedig azt jelenti, hogy az árapály erő, amelyet az ember érez, szorongóan nagy lehet.
tegyük fel, hogy először egy csillagtömegű BH-ba esik. Kiderül, hogy ahogy közeledsz, a fejed és a lábad közötti gravitációs különbség hatalmas lehet. Hatalmas. Az erő olyan erős lehet, hogy a lábad elrántják a fejedtől a Föld gravitációs erejének százmilliószorosával. Egy hosszú, vékony szálra feszítenék, majd felaprítanák.
a csillagászok ezt spaghettifikációnak nevezik. Fúj.
tehát a fekete lyuk közelébe kerülni veszélyes, még akkor is, ha nem esik bele. Nyilvánvaló, hogy valóban dagály van az emberek ügyeiben.
a fekete lyukak nem mindig sötétek.
a helyzet az, hogy a fekete lyukak messziről is képesek ölni.
a fekete lyukba eső anyag ritkán, ha valaha is csak egyenesen beleesik, és eltűnik. Ha van egy kis oldalirányú mozgása, akkor körbejárja a fekete lyukat. Ahogy egyre több anyag esik be, ez a szemét felhalmozódhat a lyuk körül. A forgó tárgyak viselkedése miatt ez az anyag egy anyagkorongot hoz létre, amely őrülten forog a lyuk körül, és mivel a lyuk gravitációja olyan gyorsan változik a távolsággal, a közeli anyag sokkal gyorsabban kering, mint a távolabb lévő dolgok. Ez az anyag szó szerint dörzsöli, súrlódás útján hőt termel. Ez a cucc nagyon forró lehet, akár több millió fok meleg. A forró anyag intenzív fényerővel világít … ami azt jelenti, hogy a fekete lyuk közelében ez az anyag komolyan világító lehet.
ami még rosszabb, a mágneses és egyéb erők két energiasugarat tudnak fókuszálni, amelyek a korong pólusaiból szántanak ki. A gerendák közvetlenül a fekete lyukon kívül kezdődnek, de millió vagy akár milliárd fényév távolságra láthatók.
világosak.
valójában a fekete lyukak, amelyek ilyen módon eszik az anyagot, olyan fényesen ragyoghatnak, hogy az univerzum legfényesebb, folyamatosan kibocsátó tárgyává válnak! Ezeket aktív fekete lyukaknak nevezzük.
és mintha a fekete lyukak nem lennének elég veszélyesek, az anyag annyira felforrósodik közvetlenül a végső zuhanás előtt, hogy dühösen röntgensugarakat bocsát ki, nagy energiájú fényformákat (és a sugarak ennél is nagyobb energiájú fényt bocsáthatnak ki). Tehát még akkor is, ha az űrhajót jóval a fekete lyuk eseményhorizontján kívül parkolja le, ha valami más beleesik és összetörik, akkor jutalmazzák azzal, hogy megsütik egy gazillion fogászati vizsgálat egyenértékű.
talán már említettem: a fekete lyukak veszélyesek. Jobb, ha távol marad tőlük.
a fekete lyukak nem mindig veszélyesek.
Mindezek után hadd tegyek fel egy kérdést: ha fognám a napot, és Folgers kristályokkal helyettesíteném egy pontosan azonos tömegű fekete lyukkal, mi történne? Vajon a Föld leesik, el kell dobni, vagy csak keringeni, mint mindig?
a legtöbb ember úgy gondolja, hogy a Föld beesne, és feltartóztathatatlanul beszippantaná a fekete lyuk erős gravitációja. De ne feledd, hogy a gravitáció, amit egy tárgyról érzel, a tárgy tömegétől és a tőle való távolságodtól függ. Azt mondtam, hogy a fekete lyuk tömege megegyezik a Napéval, emlékszel? A Föld távolsága nem változott. Tehát a gravitáció, amit innen éreznénk, 150 millió kilométerre, pontosan ugyanaz lenne! Tehát a Föld ugyanolyan szépen kering a nap fekete lyuk körül,mint a Nap körül.
természetesen halálra fagynánk. Nem kaphatsz meg mindent.
a fekete lyukak nagyok lehetnek.
K: Mi történik, ha két csillagtömegű fekete lyuk ütközik?
A: kapsz egy nagyobb fekete lyukat.
innen extrapolálható. A fekete lyukak más tárgyakat is megehetnek, beleértve más fekete lyukakat is, így növekedhetnek. Úgy gondoljuk, hogy az univerzum korai szakaszában, amikor a galaxisok még csak kialakultak, a kialakuló galaxis közepén összegyűlt anyag összeomolhat, hogy egy nagyon hatalmas fekete lyukat képezzen. Ahogy egyre több anyag esik bele, a lyuk mohón felemészti és növekszik. Végül egy szupermasszív fekete lyukat kapunk, amely a Nap tömegének millióival vagy akár milliárdszorosával rendelkezik.
ne feledje azonban, hogy amint az anyag beleesik, forró lehet. Olyan forró lehet, hogy maga a fény nyomása le tudja fújni az anyagot, amely távolabb van, kicsit olyan, mint a napszél, de sokkal nagyobb léptékben. A szél erőssége sok mindentől függ, beleértve a fekete lyuk tömegét is; minél nagyobb a lyuk, annál szelesebb a szél. Ez a szél megakadályozza, hogy több anyag essen be, tehát úgy viselkedik, mint egy elzárószelep az egyre inkább girthy lyuk számára.
nem csak ez, hanem az idő múlásával a fekete lyuk körüli gáz és por (nos, elég messze, de még mindig a galaxis közepe közelében) csillagokká változik. A gáz könnyebben eshet egy fekete lyukba, mint a csillagok (ha a gázfelhők ütköznek-a fekete lyukhoz viszonyított mozgásuk megállhat, lehetővé téve számukra, hogy beleesjenek; a csillagok túl kicsik és túl távol vannak egymástól ahhoz, hogy ez megtörténjen). Tehát végül a fekete lyuk abbahagyja az anyag fogyasztását, mert semmi több nem esik bele. Megáll a növekedés, a galaxis stabilizálódik, és mindenki boldog.
valójában, amikor ma az univerzumba nézünk, azt látjuk, hogy szinte minden nagy galaxisnak van egy szupermasszív fekete lyuk a szívében. Még a Tejútnak is van egy fekete lyuk a magjában, amelynek tömege négymilliószorosa a Napénak. Mielőtt elkezdesz körbe-körbe rohangálni és sikoltozni, emlékezz erre: 1) messze van, 26 000 fényév (260 kvadrillió kilométer), 2) tömege még mindig nagyon kicsi a galaxisunk 200 milliárd naptömegéhez képest, ezért 3) nem igazán árthat nekünk. Hacsak nem kezd aktívan táplálkozni. Ami nem az, de valamikor elkezdődhet, ha valami beleesik. Bár nem tudunk semmit, ami hamarosan beleeshet. De lehet, hogy hiányzik a hideg gáz.
Hmmm.
különben is, ne feledjétek: bár a fekete lyukak jelentős mértékben halált és pusztulást okozhatnak, maguk a galaxisok kialakulását is segítik! Nekik köszönhetjük a létezésünket.
a fekete lyukak alacsony sűrűségűek lehetnek.
a fekete lyukakkal kapcsolatos furcsaságok közül ez a legfurcsább számomra.
ahogy várható volt, a fekete lyuk eseményhorizontja nagyobb lesz, ahogy a tömeg nagyobb lesz. Ez azért van, mert ha hozzáadunk tömeget, a gravitáció erősebbé válik, ami azt jelenti, hogy az eseményhorizont növekedni fog.
ha gondosan elvégzi a matematikát, akkor azt tapasztalja, hogy az eseményhorizont lineárisan növekszik a tömeggel. Más szavakkal, ha megduplázzuk a fekete lyuk tömegét, akkor az eseményhorizont sugara is megduplázódik.
ez furcsa! Miért?
a gömb térfogata a sugár kockájától függ (gondoljunk vissza a középiskolába: térfogat = 4/3 x 6 x sugár3). Duplázza meg a sugarat, és a hangerő 2 x 2 x 2 = 8-szor növekszik. Tegyük egy gömb sugarát 10-szer nagyobbra, és a térfogat 10 x 10 x 10 = 1000-szeresére nő.
tehát a hangerő nagyon gyorsan növekszik, amikor növeli a gömb méretét.
most képzelje el, hogy két azonos méretű agyaggömb van. Össze kell őket rakni. A kapott gömb kétszer akkora?
nem! Megdupláztad a tömeget, de a sugár csak egy kicsit növekszik. Mivel a térfogat kockára vágott sugárral megy, hogy megduplázza a végső agyaggolyó sugarát, nyolcat össze kell raknia.
de ez más, mint egy fekete lyuk. Duplázd meg a tömeget, duplázd meg az eseményhorizont méretét. Ennek furcsa következménye van …
a sűrűség az, hogy mennyi tömeg van csomagolva egy adott térfogatba. Tartsa a méret ugyanaz, és adjunk hozzá tömeget, és a sűrűség megy fel. Növelje a hangerőt, de tartsa a tömeget ugyanaz, és a sűrűség csökken. Megértetted?
tehát most nézzük meg az anyag átlagos sűrűségét a fekete lyuk eseményhorizontján belül. Ha két egyforma fekete lyukat ütköztetünk, az eseményhorizont mérete megduplázódik, és a tömege is megduplázódik. De a hangerő nyolcszorosára nőtt! Tehát a sűrűség valójában csökken, és 1/4-e az, amivel kezdtem (a tömeg kétszerese és a térfogat nyolcszorosa 1/4-et ad a sűrűségnek). Ha ezt folytatod, csökken a sűrűség.
egy szabályos fekete lyuk — vagyis a Nap tömegének háromszorosa-eseményhorizontja körülbelül 9 km. Ez azt jelenti, hogy hatalmas sűrűsége van, körülbelül két kvadrillió gramm köbméterenként (2 x 1015). De duplázzuk meg a tömeget, és a sűrűség négyszeresére csökken. Tegyük be a tömeg 10-szeresét, és a Sűrűség 100-szorosára csökken. Egy milliárd naptömegű fekete lyuk (nagy, de ilyen nagyokat látunk a galaxisközpontokban) ezt a sűrűséget 1 x 10-szeresére csökkenteni18. Ez nagyjából 1/1000 gramm / cc sűrűséget adna neki … és ez a levegő sűrűsége!
egy milliárd naptömegű fekete lyuknak 3 milliárd km sugarú eseményhorizontja lenne — nagyjából a Neptunusz és a nap távolsága.
látod, hová megyek itt? Ha lekötöznétek a Naprendszert a Neptunusz mellett, egy hatalmas gömbbe zárnátok, és megtöltenétek levegővel, az egy fekete lyuk lenne!
számomra ez a legfurcsább dolog a fekete lyukakkal kapcsolatban. Persze, eltorzítják a teret, eltorzítják az időt, játszanak azzal, hogy érzékeljük, mi a valóság és mi nem… de amikor megérintik a mindennapokat, és ezzel szórakoznak, nos, ez az, ami engem megragad.
először egy stanfordi fekete lyuk konferencián gondoltam erre néhány évvel ezelőtt. A híres fekete lyuk szakértővel, Roger Blandforddal sétáltam, amikor eltalált. Elvégeztem egy gyors mentális számítást, hogy megbizonyosodjak a számok helyességéről, és Rogerrel kapcsolatban, hogy egy levegővel teli Naprendszer egy fekete lyuk lenne. Egy pillanatra elgondolkodott rajta, és azt mondta: “Igen, ez jól hangzik.”
és ez, én droogs, az egyik legmenőbb pillanat volt a lyuk életemben. De ha belegondolok, még mindig fáj az agyam.
következtetés
Nos, mit mondhatnék? A fekete lyukak furcsák.
ahogy ez történik, természetesen sokkal többet lehetett mondani róluk. Mi van a féreglyukakkal? Mi van azzal, hogyan alakulnak ki? mi a helyzet a Hawking sugárzással? A fekete lyukak teljesen elpárologhatnak?
ezekre és más kérdésekre válaszokat találhatsz máshol az interneten (és még ezen a blogon is); nem tudtam mindent lefedni mindössze tíz szakaszban! De megjegyzem (sokkoló) könyvem 5. fejezetét halál az égből! részletesen beszél arról, hogyan alakulnak ki, és mit tehetnek, ha túl közel kerülnek hozzájuk. A későbbi fejezetek a Tejút magjában lévő fekete lyukról is beszélnek, és arról, hogy mi fog történni a fekete lyukakkal hosszú idő múlva… szó szerint 1060, 1070, sőt egy googol év múlva.
de még akkor sem ez a legfélelmetesebb a fekete lyukakkal kapcsolatban. Majdnem nem tettem ezt a posztba, annyira a felső elme felett van-zsibbadóan rémisztő. De én tudós vagyok, és mi szkeptikusok vagyunk, szóval el tudjuk viselni. Tehát bemutatom nektek a legrosszabb dolgot a fekete lyukakkal kapcsolatban: