vel, de er svarte, og de er som bunnløse hull. Hva vil du kalle dem?- Meg, når en venn spurte meg hvorfor de heter hva de er
Ah, svarte hull. Den ultimate rystende inducer av kosmos, ut-jawing haier, ut-ooking edderkopper, ut-skremmer … um, noe skummelt. Men vi er fascinert av dem, har ingen tvil — selv om vi ikke forstår mye om dem.
Men det er derfor jeg er her. Tillat meg å være din guide til uendelig. Eller omvendt av det, antar jeg. Siden Det Er Halloween virker dette passende … Og min bok Death from The Skies! bare kom ut, og det er mange måter et svart hull kan ødelegge Jorden. Mwuhahahaha.
så nedenfor presenterer jeg ti fakta om svarte hull – den tredje I min serie Med Ti Ting Du Ikke Vet(den første var På Melkeveien, den andre Om Jorden). Vanlige lesere vil vite noen av disse siden jeg har snakket om dem før, men jeg håper du ikke vet alle disse. Og hvis du gjør, så gjerne igjen en kommentar preening om overlegen intellekt. Mind du, denne listen er ikke på langt nær komplett: jeg kunne ha plukket trolig 50 ting som er rart om sorte hull. Men jeg liker disse.
det er ikke deres masse, det er deres størrelse som gjør dem så sterke.
OK, først, en veldig rask primer på svarte hull. Bær over med meg!
den vanligste måten for et sort hull å danne er i kjernen av en massiv stjerne. Kjernen går tom for drivstoff, og kollapser. Dette utløser en sjokkbølge som blåser opp de ytre lagene av stjernen og forårsaker en supernova. Så stjernens hjerte kollapser mens resten av det eksploderer utover( dette Er Cliffs notes-versjon; for mer informasjon om prosessen-som er kult, så du bør lese den-sjekk ut min beskrivelse av den).
når kjernen kollapser, øker dens tyngdekraft. 3 ganger solens masse), blir tyngdekraften så sterk at rett ved overflaten av den kollapsende kjernen øker flukthastigheten til lysets hastighet. Det betyr at ingenting kan unnslippe tyngdekraften til dette objektet, ikke engang lys. Så det er svart. Og siden ingenting kan unnslippe, vel, les sitatet øverst på siden.
området rundt selve det sorte hullet der flukthastigheten er lik lysets hastighet kalles hendelseshorisonten. Enhver hendelse som skjer inne i den er for alltid usynlig.
OK, så nå vet du hva en er, og hvordan de dannes. Nå kan jeg forklare hvorfor de har så sterk tyngdekraft, men vet du hva? Jeg vil heller la denne fyren gjøre det. Jeg hører han er god.
så der går du. Jo, massen er viktig, men noen ganger er det de små tingene som teller.
De er ikke uendelig små.
SÅ OK, de er små, men hvor små er de?
jeg skrev om svarte hull i min forrige jobb, og vi fikk en morsom diskusjon om akkurat hva vi mente med svart hull: mente vi selve objektet som kollapser ned til et matematisk punkt, eller hendelseshorisonten rundt det? Jeg sa hendelseshorisonten, men sjefen min sa at det var objektet. Jeg bestemte meg for at hun hadde et poeng (HAHAHAHAHA! Et «poeng»! Mann, jeg dreper meg), og sørget for at når jeg skrev om hendelseshorisonten mot det svarte hullet selv, gjorde jeg meg klar.
som jeg sa ovenfor, til kollapsende kjerne, holder klokken sin tikkende, så det ser seg selv kollapsende helt ned til et punkt, selv om hendelseshorisonten har noen endelig størrelse.
Hva skjer med kjernen? Den faktiske massen som kollapset?
Her ute, vi vet aldri sikkert. Vi kan ikke se inn, og det sikkert nok ikke vil sende noen info ut. Men vår matte i disse situasjonene er ganske bra, og vi kan i det minste bruke dem til kollapsende kjerne, selv når den er mindre enn hendelseshorisonten.
Det vil fortsette å kollapse, og tyngdekraften øker. Mindre, mindre … og da jeg var liten leste jeg alltid at det kollapser helt ned til en geometrisk prikk, et objekt uten dimensjoner i det hele tatt. Som virkelig bugged meg, som du kan forestille deg… så vel det burde. Fordi det er galt.
på et tidspunkt vil den kollapsende kjernen være mindre enn et atom, mindre enn en kjerne, mindre enn et elektron. Det vil til slutt nå en størrelse som kalles Planck-Lengden, en enhet så liten at kvantemekanikken styrer den med en jernnote. En Planck Lengde er en slags kvantestørrelsesgrense: hvis et objekt blir mindre enn dette, kan vi bokstavelig talt ikke vite mye om det med sikkerhet. Den faktiske fysikken er komplisert, men ganske mye når den kollapsende kjernen treffer denne størrelsen, selv om vi på en eller annen måte kunne gjennomsyre hendelseshorisonten, kunne vi ikke måle sin virkelige størrelse. Faktisk betyr begrepet «ekte størrelse» egentlig ikke noe på denne typen skala. Hvis Universet selv hindrer deg i å måle det, kan du også si at begrepet ikke har noen mening.
Og hvor liten Er En Planck Lengde? Teeny liten: ca 10^-35 meter. Det er ett hundre quintillionth på størrelse med et proton.
Så hvis noen sier at et svart hull har null størrelse, kan du være all geeky og teknisk og si, egentlig ikke, men meh. Nær nok.
de er sfærer. Og de er definitivt ikke trakt formet.
tyngdekraften du føler fra et objekt, avhenger av to ting: objektets masse og avstanden fra det objektet. Dette betyr at alle i en gitt avstand fra en massiv gjenstand — si en million kilometer — ville føle den samme tyngdekraften fra den. Den avstanden definerer en sfære rundt et objekt: alle på den sfærens overflate ville føle den samme tyngdekraften fra objektet i midten.
størrelsen på en hendelseshorisont for et svart hull avhenger av tyngdekraften, så egentlig er hendelseshorisonten en sfære rundt det svarte hullet. Fra utsiden, hvis du kunne finne ut hvordan du ser hendelseshorisonten i utgangspunktet, ville det se ut som en pitch black sphere.
noen mennesker tenker på sorte hull som sirkler, eller verre, traktformede. Trakten er en misforståelse fra folk som prøver å forklare tyngdekraften som en bøyning i rommet, og de forenkler ting ved å kollapse 3D-plass til 2D; de sier at plassen er som et laken, og gjenstander med masse bøyer plass på samme måte som en massiv gjenstand (en bowlingkule, si) vil fordreie et laken. Men plass ER IKKE 2D, DET ER 3D (SELV 4D hvis du inkluderer tid), og denne forklaringen kan forvirre folk om den faktiske formen på en svart hullhendelseshorisont.
jeg har hatt barn spør meg hva som skjer hvis du nærmer deg et svart hull fra under! De får noen ganger ikke at svarte hull er kuler,og det er ingen under. Jeg skylder på trakten historien. Dessverre er det den beste analogien jeg har sett, så vi sitter fast med den. Bruk den med forsiktighet.
Sorte hull spinner!
det er litt av en merkelig tanke, men svarte hull kan spinne. Stjerner roterer, og når kjernen kollapser rotasjonshastighetene vei, vei opp (den vanlige analogien er en skater som bringer i armene sine, øker rotasjonshastigheten). Når stjernens kjerne blir mindre, roterer den raskere. Hvis det ikke har nok masse til å bli et svart hull, blir saken presset sammen for å danne en nøytronstjerne, en ball av nøytroner noen få kilometer over. Vi har oppdaget hundrevis av disse objektene, og de har en tendens til å spinne veldig raskt, noen ganger hundrevis av ganger i sekundet!
det samme gjelder for et svart hull. Selv om saken krymper ned mindre enn hendelseshorisonten og går tapt til det Ytre Universet for alltid, spinner saken fortsatt. Det er ikke helt klart hva dette betyr hvis du prøver å beregne hva som skjer med saken når den er inne i hendelseshorisonten. Holder sentrifugalkraften den fra å kollapse helt ned Til Planck-lengden? Regnestykket er djevelsk, men gjør-stand, og innebærer at saken faller i vil treffe saken inne i hendelseshorisonten prøver å falle videre, men kan ikke på grunn av rotasjon, dette fører til en massiv haug opp og noen ganske spektakulære fyrverkeri … som vi aldri vil se, fordi det er på den andre siden av uendelig. Kjipt.
I Nærheten av et svart hull blir ting rart.
spinnet av det svarte hullet kaster en ape i skiftenøkkelen til hendelseshorisonten. Svarte hull forvrenger stoffet i rommet selv, og hvis de spinner den forvrengningen selv blir forvrengt. Plassen kan bli pakket rundt et svart hull-som om stoffet i et ark blir fanget opp i en roterende borekrone.
dette skaper et område av rom utenfor hendelseshorisonten kalt ergosfæren. Det er en oblate sfæroid, en flatt ballform, og hvis du er utenfor hendelseshorisonten, men inne i ergosfæren, finner du at du ikke kan sitte stille. Bokstavelig. Plassen blir dratt forbi deg, og bærer deg sammen med den. Du kan enkelt bevege seg i retning av rotasjon av det sorte hullet, men hvis du prøver å sveve, du kan ikke. faktisk, inne i ergosphere plass beveger seg raskere enn lys! Matter kan ikke bevege seg så fort, men det viser seg, Ifølge Einstein, at rommet selv kan. Så hvis du vil svinge over et svart hull, må du bevege deg raskere enn lys i retning motsatt spinnet. Du kan ikke gjøre det, så du må flytte med spinnet, fly bort eller falle inn. Det er dine valg.
jeg foreslår å fly bort. Rask. Fordi …
Nærmer seg et svart hull kan drepe deg på morsomme måter. Og med moro mener jeg grusom, forferdelig og virkelig virkelig ookie.
Sikker, hvis du kommer for nær, plop! Du faller inn. Men Selv om du holder avstanden din, er du fortsatt i trøbbel …
Gravity avhenger av avstand. Jo lenger du er fra et objekt, jo svakere er dens tyngdekraft. Så hvis du har et langt objekt nær en massiv, vil det lange objektet føle en sterkere gravitasjonskraft i nær enden mot en svakere kraft på den fjerne enden! Denne endringen i tyngdekraften over avstand kalles tidevannskraften (som er litt misvisende, det er egentlig ikke en kraft, det er en differensialkraft, og ja, det er relatert til hvorfor vi har havvann på Jorden fra Månen).
saken er at svarte hull kan være små — EN BH med en masse på omtrent tre Ganger Solen har en hendelseshorisont bare noen få kilometer over — og det betyr at du kan komme nær dem. Og det betyr igjen at tidevannskraften du føler fra en kan bli plagsom stor.
La oss si at du faller føttene først inn I EN stjernemasse BH. Det viser seg at når du nærmer deg, kan forskjellen i tyngdekraften mellom hodet og føttene bli stor. STOR. Kraften kan være så sterk at føttene dine blir dratt bort fra hodet ditt med hundrevis av millioner ganger Jordens tyngdekraft. Du vil bli strukket inn i en lang, tynn streng og deretter revet.
Astronomer kaller dette spaghettifisering. Ewwww.
så å komme nær et svart hull er farlig selv om du ikke faller inn. Tydeligvis er det virkelig en tidevann i menns saker.
Svarte hull er ikke alltid mørke.
saken er, svarte hull kan drepe fra langt unna.
Materie som faller inn i et svart hull vil sjelden om noen gang bare falle rett inn og forsvinne. Hvis den har litt sidelengs bevegelse, går den rundt det svarte hullet. Etter hvert som mer materie faller inn, kan alt dette søppel hoper seg opp rundt hullet. På grunn av måten roterende objekter oppfører seg på, vil denne saken skape en disk av materiale som virvler gal rundt hullet, og fordi hullets tyngdekraft endres så raskt med avstand, vil saken lukke seg mye raskere enn ting lenger ut. Denne saken gnider bokstavelig talt sammen, genererer varme gjennom friksjon. Dette kan bli veldig varmt, som millioner av grader varmt. Noe som betyr at nær det svarte hullet, kan denne saken være alvorlig lysende.
Verre, magnetiske og andre krefter kan fokusere to stråler av energi som går pløying ut av polene på disken. Strålene starter like utenfor det svarte hullet, men kan ses for millioner eller til og med milliarder lysår fjernt.
De er lyse.
faktisk kan sorte hull som spiser materie på denne måten lyse så sterkt at De blir De lyseste kontinuerlig emitterende gjenstandene i Universet! Vi kaller disse aktive sorte hullene.
og som om sorte hull ikke er farlige nok, blir saken så varm rett før den gjør det endelige stupet at det kan rasende avgi Røntgenstråler, høyenergiformer av lys (og bjelkene kan avgi enda høyere energilys enn det). Så selv om du parkerer romskipet ditt godt utenfor hendelseshorisonten til et svart hull, hvis noe annet faller inn og blir revet, blir du belønnet ved å bli stekt av tilsvarende en gazillion dental eksamen.
jeg kan ha nevnt dette: svarte hull er farlige. Best å holde seg borte fra dem.
Sorte hull er ikke alltid farlige.
Når det er sagt, la meg Stille deg et spørsmål: hvis Jeg skulle ta Solen og erstatte Den med Folgers krystaller et svart hull av nøyaktig samme masse, hva ville skje? Ville Jorden falle inn, bli kastet bort, eller bare bane som det alltid gjør?
De fleste tror At Jorden ville falle inn, sugd ubønnhørlig ned av det svarte hullets kraftige tyngdekraft. Men husk, tyngdekraften du føler fra et objekt, avhenger av objektets masse og avstanden fra den. Jeg sa at det svarte hullet har samme masse Som Solen, husk? Og jordens avstand har ikke endret seg. Så tyngdekraften vi ville føle herfra, 150 millioner kilometer unna, ville være akkurat det samme! Så Jorden ville bane solens sorte hull like pent som Det kretser Solen nå.
selvfølgelig ville vi fryse til døden. Du kan ikke få alt.
Svarte hull kan bli store.
Spørsmål: hva skjer hvis to sorte hull i stjernemassen kolliderer?
A: Du får et større svart hull.
du kan ekstrapolere derfra. Svarte hull kan spise andre gjenstander, inkludert andre svarte hull, slik at de kan vokse. Vi tror at tidlig i Universet, da galakser bare dannet, kan materie som samler seg i midten av den nasende galaksen kollapse for å danne et veldig massivt svart hull. Som mer saken faller i, hullet grådig forbruker det, og vokser. Til slutt får du et supermassivt svart hull, ett med millioner eller milliarder ganger Solens masse.
husk imidlertid at når saken faller i det, kan det bli varmt. Det kan være så varmt at trykket fra lyset selv kan blåse av materiale som er lenger ut, litt som solvinden, men på en mye større skala. Styrken av vinden avhenger av mange ting, inkludert massen av det svarte hullet; jo heftier hullet, jo windier, uh, vinden. Denne vinden forhindrer at mer materie faller inn, så det virker som en cutoff-ventil for det stadig økende girthy hullet.
ikke bare det, men over tid blir gass og støv rundt det svarte hullet (vel, ganske langt ut, men fortsatt nær sentrum av galaksen) omgjort til stjerner. Gass kan falle inn i et svart hull lettere enn stjerner (hvis gassskyer kolliderer med hodet, kan bevegelsen i forhold til det svarte hullet stoppe, slik at de kan falle inn; stjernene er for små og for langt fra hverandre for at dette skal skje). Så til slutt slutter det svarte hullet å forbruke saken fordi ingenting mer faller inn i det. Det slutter å vokse, galaksen blir stabil, og alle er glade.
faktisk, når vi ser På Universet i dag, ser vi at stort sett alle store galakser har et supermassivt svart hull i hjertet. Selv Melkeveien har et svart hull i kjernen med en masse på fire millioner Ganger Solens Masse. Før du begynner å løpe rundt i sirkler og skrike, husk dette: 1) det er langt unna, 26.000 lysår (260 quadrillion kilometer), 2) massen er fortsatt svært liten sammenlignet med de 200 milliarder solmassene i vår galakse, og derfor 3) det kan egentlig ikke skade oss. Med mindre det begynner å mate aktivt. Men det kan begynne en gang, hvis noe faller inn i det. Selv om vi ikke vet om noe som kan falle inn i det snart. Men vi kan savne kald gass.
Hmmm .
husk dette også: selv om sorte hull kan forårsake død og ødeleggelse i stor skala, hjelper de også galakser selv å danne! Så vi skylder vår eksistens til dem.
Svarte hull kan være lav tetthet.
av alle rarhetene om svarte hull, er denne den rareste for meg.
som du kanskje forventer, blir hendelseshorisonten til et svart hull større ettersom massen blir større. Det er fordi hvis du legger til masse, blir tyngdekraften sterkere, noe som betyr at hendelseshorisonten vil vokse.
hvis du gjør matematikken nøye, finner du at hendelseshorisonten vokser lineært med massen. Med andre ord, hvis du dobler det svarte hullets masse, dobler hendelseshorisontradiusen også.
det er rart! Hvorfor?
volumet av en sfære avhenger av kuben av radiusen (tenk helt tilbake til videregående skole: volum = 4/3 x π x radius3). Dobbel radius, og volumet går opp med 2 x 2 x 2 = 8 ganger. Gjør radiusen til en sfære 10 ganger større og volumet går opp med en faktor på 10 x 10 x 10 = 1000.
så volumet går opp veldig raskt når du øker størrelsen på en sfære.
forestill Deg nå at du har to kuler av leire som er like store. Klump dem sammen. Er den resulterende sfæren dobbelt så stor?
Nei! Du har doblet massen, men radiusen øker bare litt. Fordi volumet går som radius cubed, for å doble radiusen til din endelige leirekule, må du klumpe sammen åtte av dem.
Men det er annerledes enn et svart hull. Dobbel massen, dobbel størrelsen på hendelseshorisonten. Det har en merkelig implikasjon …
Tetthet er hvor mye masse som er pakket inn i et gitt volum. Hold størrelsen den samme og legg til masse, og tettheten går opp. Øk volumet, men hold massen den samme, og tettheten går ned. Forstått?
så la oss nå se på gjennomsnittlig tetthet av materie inne i hendelseshorisonten til det svarte hullet. Hvis jeg tar to identiske svarte hull og kolliderer dem, dobler hendelseshorisontstørrelsen, og massen dobler også. Men volumet har gått opp med åtte ganger! Så tettheten minker faktisk, og er 1/4 hva jeg startet med (to ganger massen og åtte ganger volumet gir deg 1/4 tettheten). Fortsett å gjøre det, og tettheten minker.
et vanlig sort hull — det vil si et med tre ganger Solens masse-med en hendelseshorisontradius på ca. 9 km. Det betyr at den har en stor tetthet, omtrent to quadrillion gram per kubikk cm (2 x 1015). Men doble massen, og tettheten faller med en faktor på fire. Sett inn 10 ganger massen og tettheten faller med en faktor på 100. Et milliarder solmassesort hull (stort, men vi ser dem så store i galakse sentre) ville slippe den tettheten med en faktor på 1 x 1018. Det ville gi den en tetthet på omtrent 1/1000 av et gram per cc… og det er tettheten av luft!
et milliard solmassesort hull ville ha en hendelseshorisont 3 milliarder km i radius-omtrent Avstanden Mellom Neptun og Solen.
Se hvor jeg skal her? Hvis du skulle tau av solsystemet ut Forbi Neptun, omslutte det i en gigantisk sfære og fylle den med luft, ville det være et svart hull!
Det er for meg langt den merkeligste tingen om svarte hull. Jo, de forvrenger plass, forvrenger tid, leker med vår følelse av hva som er ekte og ikke… men når de berører hverdagen og skruer med det, vel, det er det som får meg.
jeg tenkte først på dette på en svart hullkonferanse På Stanford for noen år tilbake. Jeg gikk med bemerket svart hull ekspert Roger Blandford da det slo meg. Jeg gjorde en rask mental beregning for å sikre at jeg hadde tallene riktig, og relatert Til Roger at Et solsystem fullt av luft ville være et svart hull. Han tenkte på det et øyeblikk og sa, » Ja, det høres om riktig.»
Og det, me droogs, var en av de kuleste øyeblikkene i mitt hulls liv. Men å tenke på det gjør fortsatt hjernen min vondt.
Konklusjon
vel, hva kan jeg si? Svarte hull er rare.
som det så skjer, det var mye mer som kan sies om dem, selvfølgelig. Hva med ormehull? Hva med hvordan de dannes? Hva med Hawking-stråling? Kan sorte hull fordampe helt?
du kan finne svar på disse og andre spørsmål andre steder på nettet( og selv på denne bloggen); jeg kunne ikke dekke alt på bare ti seksjoner! Men jeg vil merke (shocker) det kapittel 5 I min bok Death from The Skies! snakker i detalj om hvordan de danner, og hva de kan gjøre hvis du kommer for nær dem. Senere kapitler snakker også om det svarte hullet I Kjernen Av Melkeveien, og hva som vil skje med svarte hull lenge fra nå… bokstavelig talt, 1060, 1070, til og med en googol år fra nå.
Men selv da er det ikke den skumleste tingen om svarte hull. Jeg nesten ikke sette dette i innlegget, det er så over toppen mind-numbingly skremmende. Men jeg er en vitenskapsmann, og vi er skeptikere her, så vi kan ta det. Så jeg presenterer for deg, det verste med sorte hull av alle: