nou, ze zijn zwart, en ze zijn als bodemloze gaten. Hoe zou je ze noemen?- Me, toen een vriend me vroeg waarom ze zijn genoemd wat ze zijn
Ah, zwarte gaten. De ultieme huiver-induceerder van de kosmos, uit-jawing haaien, uit-ooking spinnen, uit-schrikken … iets engs. Maar we zijn gefascineerd door ‘em, hebben geen twijfel — zelfs als we niet veel over hen begrijpen.
maar daarom ben ik hier. Sta mij toe om je gids te zijn naar de oneindigheid. Of het omgekeerde, denk ik. Aangezien het Halloween is lijkt dit gepast … en mijn boek Death from the Skies! er zijn veel manieren waarop een zwart gat de aarde kan vernietigen. Mwuhahahaha.
hieronder presenteer ik tien feiten over zwarte gaten — de derde in mijn reeks van tien dingen die je niet weet (de eerste was op de Melkweg; de tweede over de aarde). Regelmatige lezers zullen een paar van deze weten sinds ik heb gesproken over hen eerder, maar ik hoop dat je niet weet al deze. En als je dat doet, voel je vrij om een commentaar achter te laten over je superieure intellect. Let wel, deze lijst is bij lange na niet compleet: ik had waarschijnlijk 50 dingen kunnen kiezen die vreemd zijn aan zwarte gaten. Maar ik hou van deze.
het is niet hun massa, het is hun grootte dat hen zo sterk maakt.
OK, eerst een zeer snelle primer op zwarte gaten. Heb geduld met me!
de meest voorkomende manier om een zwart gat te vormen is in de kern van een massieve ster. De kern raakt zonder brandstof en stort in. Dit veroorzaakt een schokgolf, die de buitenste lagen van de ster opblaast, waardoor een supernova ontstaat. Dus het hart van de Ster Stort in terwijl de rest naar buiten explodeert (dit is de versie van de nota ‘ s van de Cliff; voor meer details over het proces — wat erg cool is, dus je moet het lezen — bekijk mijn beschrijving ervan).
naarmate de kern instort, neemt de zwaartekracht toe. Op een gegeven moment, als de kern massief genoeg is (ongeveer 3 keer de massa van de zon), wordt de zwaartekracht zo sterk dat aan het oppervlak van de instortende kern de ontsnappingssnelheid toeneemt tot de lichtsnelheid. Dat betekent dat niets aan de zwaartekracht van dit object kan ontsnappen, zelfs niet aan licht. Dus het is zwart. En aangezien niets kan ontsnappen, nou, lees het citaat aan de bovenkant van de pagina.
het gebied rond het zwarte gat zelf waar de ontsnappingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid wordt de waarnemingshorizon genoemd. Elke gebeurtenis die erin gebeurt is voor altijd onzichtbaar.
OK, dus nu weet je wat een is, en hoe ze zich vormen. Ik zou kunnen uitleggen waarom ze zo ‘ n sterke zwaartekracht hebben, maar weet je wat? Ik laat het liever aan hem over. Ik hoor dat hij goed is.
dus daar ga je. Zeker, de massa is belangrijk, maar soms zijn het de kleine dingen die tellen.
ze zijn niet oneindig klein.
dus OK, ze zijn klein, maar hoe klein zijn ze?
ik schreef over zwarte gaten in mijn vorige baan, en we kregen een leuke discussie over wat we bedoelden met zwart gat: bedoelden we het object zelf dat instort tot een wiskundig punt, of de gebeurtenishorizon eromheen? Ik zei de event horizon, maar mijn baas zei dat het het object was. Ik besloot dat ze een punt had (HAHAHAHAHA! Een “punt”! Man, I kill me), en zorgde ervoor dat toen ik schreef over de event horizon versus het zwarte gat zelf ik mezelf duidelijk maakte.
zoals ik hierboven al zei, tot aan de instortende kern, blijft de klok tikken, dus ziet hij zichzelf helemaal instorten tot op een punt, zelfs als de waarnemingshorizon een eindige grootte heeft.
Wat gebeurt er met de kern? De massa die instortte?
hier zullen we het nooit zeker weten. We kunnen niet naar binnen kijken, en het zal zeker geen info naar buiten sturen. Maar onze wiskunde in deze situaties is vrij goed, en we kunnen ze op zijn minst toepassen op de instortende kern, zelfs als die kleiner is dan de waarnemingshorizon.
het zal blijven instorten, en de zwaartekracht neemt toe. Kleiner, kleiner … en toen ik een kind was las ik altijd dat het helemaal instort tot een geometrische stip, een object zonder afmetingen. Dat irriteerde me echt, zoals je je kunt voorstellen… en dat zou ook moeten. Omdat het verkeerd is.
op een gegeven moment zal de instortende kern kleiner zijn dan een atoom, kleiner dan een kern, kleiner dan een elektron. Het zal uiteindelijk een grootte bereiken die de Planck lengte wordt genoemd, een eenheid die zo klein is dat de kwantummechanica het regeert met een ijzeren vuist. Een Planck lengte is een soort kwantum grootte limiet: als een object kleiner wordt dan dit, kunnen we er letterlijk niet veel over weten met enige zekerheid. De fysica is ingewikkeld, maar als de instortende kern zo groot wordt, zelfs als we de waarnemingshorizon kunnen doorboren, kunnen we de werkelijke grootte niet meten. In feite betekent de term “echte grootte” niet echt iets op deze schaal. Als het universum je ervan weerhoudt het te meten, kun je net zo goed zeggen dat de term geen betekenis heeft.
en hoe klein is een Plancklengte? Teeny tiny: ongeveer 10^-35 meter. Dat is honderdkwart de grootte van een proton.
dus als iemand zegt dat een zwart gat een grootte van nul heeft, kun je allemaal geeky en technisch zijn en zeggen, niet echt, maar meh. Dichtbij genoeg.
het zijn bollen. En ze zijn zeker niet trechtervormig.
de zwaartekracht die je voelt van een object hangt af van twee dingen: de massa van het object en de afstand tot dat object. Dit betekent dat iedereen op een bepaalde afstand van een massief object — laten we zeggen, een miljoen kilometer — dezelfde zwaartekracht van het zou voelen. Die afstand definieert een bol rond een object: iedereen op het oppervlak van die bol zou dezelfde zwaartekracht voelen van het object in het midden.
de grootte van een waarnemingshorizon van een zwart gat hangt af van de zwaartekracht, dus eigenlijk is de waarnemingshorizon een bol die het zwarte gat omringt. Van buitenaf, als je zou kunnen uitzoeken hoe je de waarnemingshorizon in de eerste plaats kunt zien, zou het eruit zien als een pikzwarte bol.
sommige mensen denken dat zwarte gaten cirkelvormig zijn, of erger nog, trechtervormig. De trechter is een misvatting van mensen die zwaartekracht proberen uit te leggen als een buiging in de ruimte, en ze vereenvoudigen dingen door 3D-ruimte in 2D in te klappen; ze zeggen dat de ruimte als een laken is, en objecten met massa-buigruimte op dezelfde manier dat een massief object (een bowlingbal, laten we zeggen) een laken zal vervormen. Maar ruimte is niet 2D, Het is 3D (zelfs 4D als je tijd meetelt) en dus kan deze uitleg mensen verwarren over de werkelijke vorm van een zwarte gat event horizon.
ik heb kinderen gehad die me vroegen wat er gebeurt als je een zwart gat van onderen benadert! Ze snappen soms niet dat zwarte gaten bollen zijn, en er is geen Onder. Ik geef het trechter verhaal de schuld. Helaas is het de beste analogie die ik heb gezien, dus we zitten ermee opgescheept. Gebruik het voorzichtig.
zwarte gaten draaien!
het is een vreemde gedachte, maar zwarte gaten kunnen draaien. Sterren draaien, en wanneer de kern instort de rotatiesnelheden weg, weg omhoog (de gebruikelijke analogie is die van een schaatser die zijn armen inbrengt en zijn rotatiesnelheid verhoogt). Naarmate de kern van de ster kleiner wordt, roteert hij sneller. Als het niet genoeg massa heeft om een zwart gat te worden, wordt de materie samengeperst om een neutronenster te vormen, een bal neutronen van een paar kilometer doorsnede. We hebben honderden van deze objecten ontdekt, en ze hebben de neiging om heel snel te draaien, soms honderden keren per seconde!
hetzelfde geldt voor een zwart gat. Zelfs als de materie kleiner krimpt dan de waarnemingshorizon en voor altijd verloren gaat voor het externe universum, draait de materie nog steeds. Het is niet helemaal duidelijk wat dit betekent als je probeert te berekenen wat er met de materie gebeurt zodra het binnen de waarnemingshorizon is. Zorgt de centrifugale kracht ervoor dat het niet instort tot aan de lengte van de Planck? De wiskunde is Duivels, maar do-able, en impliceert dat materie vallen in materie zal raken binnen de event horizon proberen verder te vallen, maar niet in staat om als gevolg van rotatie, dit veroorzaakt een enorme stapel en een aantal vrij spectaculair vuurwerk … dat we nooit zullen zien, omdat het aan de andere kant van de oneindigheid. Bummer.
bij een zwart gat worden dingen raar.
de draai van het zwarte gat werpt een aap in de Moersleutel van de waarnemingshorizon. Zwarte gaten vervormen het weefsel van de ruimte zelf, en als ze draaien wordt die vervorming zelf vervormd. Ruimte kan rond een zwart gat worden gewikkeld-een beetje als de stof van een blad die in een draaiende boor wordt gevangen.
dit creëert een ruimtegebied buiten de waarnemingshorizon, de ergosphere genaamd. Het is een oblate sferoïde, een afgeplatte balvorm, en als je buiten de waarnemingshorizon maar binnen de ergosphere bent, zul je merken dat je niet stil kunt zitten. Letterlijk. De ruimte wordt langs je gesleept en draagt je mee. Je kunt gemakkelijk bewegen in de richting van de rotatie van het zwarte gat, maar als je probeert te zweven, kun je dat niet. in feite, in de ergosphere beweegt de ruimte sneller dan het licht! Materie kan niet zo snel bewegen, maar het blijkt, volgens Einstein, dat de ruimte zelf dat wel kan. Dus als je boven een zwart gat wilt zweven, moet je sneller dan licht bewegen in de richting tegenover de spin. Je kunt dat niet doen, dus je moet bewegen met de spin, wegvliegen, of erin vallen. Dat zijn jouw keuzes.
ik stel voor om weg te vliegen. Snel. Omdat …
het naderen van een zwart gat je op leuke manieren kan doden. En met plezier bedoel ik gruwelijk, gruwelijk, en echt heel ookie.
zeker, als je te dichtbij komt, plop! Je valt erin. Maar zelfs als je afstand houdt, zit je nog steeds in de problemen …
zwaartekracht is afhankelijk van afstand. Hoe verder je van een object af bent, hoe zwakker de zwaartekracht. Dus als je een lang object in de buurt van een massieve hebt, zal het lange object een sterkere gravitatiekracht voelen aan de nabije kant versus een zwakkere kracht aan de andere kant! Deze verandering in zwaartekracht over afstand wordt de getijdekracht genoemd (wat een beetje een verkeerde benaming is, het is niet echt een kracht, het is een differentiële kracht, en ja, het is gerelateerd aan waarom we oceaangetijden op aarde hebben van de maan).
het ding is, zwarte gaten kunnen klein zijn — een BH met een massa van ongeveer drie keer de zon heeft een waarnemingshorizon van slechts een paar kilometer doorsnede-en dat betekent dat je dichtbij ze kunt komen. En dat betekent op zijn beurt dat de getijdenkracht die je van de ene voelt, verontrustend groot kan worden.
stel dat je voeten eerst in een stellaire massa BH valt. Het blijkt dat als je dichterbij komt, het verschil in zwaartekracht tussen je hoofd en je voeten enorm kan worden. ENORM. De kracht kan zo sterk zijn dat je voeten van je hoofd worden getrokken met honderden miljoenen keren de kracht van de zwaartekracht van de aarde. Je zou worden uitgerekt tot een lange, dunne streng en dan versnipperd.
astronomen noemen dit spaghettificatie. Ewwww.
het is dus gevaarlijk om in de buurt van een zwart gat te komen, zelfs als je er niet in valt. Blijkbaar is er echt een getij in de zaken van mensen.
zwarte gaten zijn niet altijd donker.
het ding is, zwarte gaten kunnen doden van ver weg.
materie die in een zwart gat valt, valt er zelden of nooit recht in en verdwijnt. Als het een beetje zijwaarts beweegt zal het rond het zwarte gat gaan. Als er meer materie in valt, kan al deze rommel zich opstapelen rond het gat. Door de manier waarop roterende objecten zich gedragen, zal deze materie een schijf van materiaal creëren die waanzinnig rond het gat wervelt, en omdat de zwaartekracht van het gat zo snel verandert met de afstand, zal materie in de buurt veel sneller cirkelen dan spullen verder uit. Deze materie wrijft letterlijk samen, het genereren van warmte door wrijving. Dit spul kan echt heet worden, zoals miljoenen graden heet. Materie die heet gloeit met intense helderheid … wat betekent dat in de buurt van het zwarte gat, deze materie ernstig licht kan zijn.
erger, magnetische en andere krachten kunnen twee bundels energie concentreren die uit de polen van de schijf gaan ploegen. De stralen beginnen net buiten het zwarte gat, maar zijn miljoenen of zelfs miljarden lichtjaren ver te zien.
ze zijn helder.
in feite kunnen zwarte gaten die op deze manier materie eten zo fel oplichten dat ze de helderste objecten worden die continu uitzenden in het universum! We noemen deze actieve zwarte gaten.
en alsof zwarte gaten nog niet gevaarlijk genoeg zijn, wordt de materie zo heet vlak voordat het de laatste duik maakt, dat het furieus röntgenstralen kan uitzenden, vormen van licht met hoge energie (en de stralen kunnen nog meer energie licht dan dat uitzenden). Dus zelfs als je je ruimteschip ruim buiten de waarnemingshorizon van een zwart gat parkeert, als er iets anders in valt en verscheurd wordt, word je beloond door gebakken te worden door het equivalent van een triljoen tandheelkundige onderzoeken.
ik heb het al gezegd: zwarte gaten zijn gevaarlijk. Je kunt beter bij ze uit de buurt blijven.
zwarte gaten zijn niet altijd gevaarlijk.Dit gezegd hebbende, wil ik u een vraag stellen: als ik de zon zou nemen en vervangen door Folgers kristallen, een zwart gat van exact dezelfde massa, wat zou er dan gebeuren? Zou de aarde erin vallen, weg worden gegooid, of gewoon in een baan zoals altijd?
de meeste mensen denken dat de aarde erin zou vallen, onverbiddelijk naar beneden gezogen door de krachtige zwaartekracht van het zwarte gat. Maar onthoud, de zwaartekracht die je voelt van een object hangt af van de massa van het object en de afstand ervan. Ik zei dat het zwarte gat dezelfde massa heeft als de zon, Weet je nog? En de afstand van de aarde is niet veranderd. Dus de zwaartekracht die we hier zouden voelen, 150 miljoen kilometer verderop, zou precies hetzelfde zijn! De aarde zou dus net zo mooi rond het zwarte gat draaien als nu.
natuurlijk zouden we doodvriezen. Je kunt niet alles hebben.
zwarte gaten kunnen groot worden.
Q: Wat gebeurt er als twee zwarte gaten met stellaire massa botsen?
A: U krijgt een groter zwart gat.
u kunt van daaruit extrapoleren. Zwarte gaten kunnen andere objecten eten, waaronder andere zwarte gaten, zodat ze kunnen groeien. We denken dat in het begin van het heelal, toen sterrenstelsels zich net vormden, materie die zich verzamelt in het centrum van het ontluikende sterrenstelsel kan instorten tot een enorm zwart gat. Als er meer materie in valt, vreet het gat het gretig op en groeit het. Uiteindelijk krijg je een superzwaar zwart gat, één met miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon.
echter, onthoud dat als materie erin valt, het heet kan worden. Het kan zo heet zijn dat de druk van licht zelf materiaal kan wegblazen dat verder weg is, een beetje zoals de zonnewind, maar op een veel grotere schaal. De kracht van de wind hangt van veel dingen af, waaronder de massa van het zwarte gat; hoe heftiger het gat, hoe winder de wind. Deze wind voorkomt dat er meer materie in valt, dus fungeert het als een afsluiter voor het steeds meer omtrekkende gat.
niet alleen dat, maar na verloop van tijd wordt het gas en stof rond het zwarte gat (wel, vrij ver weg, maar nog steeds in de buurt van het centrum van het melkwegstelsel) veranderd in sterren. Gas kan gemakkelijker in een zwart gat vallen dan Sterren (als gaswolken frontaal botsen, kan hun beweging ten opzichte van het zwarte gat stoppen, waardoor ze in; sterren zijn te klein en te ver uit elkaar om dit te laten gebeuren). Uiteindelijk stopt het zwarte gat met het consumeren van materie omdat er niets meer in valt. Het stopt met groeien, de Melkweg wordt stabiel, en iedereen is gelukkig.
in feite zien we dat vrijwel elk groot sterrenstelsel een superzwaar zwart gat in zijn hart heeft. Zelfs de Melkweg heeft een zwart gat in de kern met een massa van vier miljoen keer die van de zon. Voordat je begint rond te rennen en te schreeuwen, onthoud dit: 1) het is ver weg, 26.000 lichtjaren (260 biljard kilometer), 2) zijn massa is nog steeds erg klein in vergelijking met de 200 miljard zonsmassa ‘ s van ons melkwegstelsel, en daarom 3) kan het ons niet echt schaden. Tenzij het actief begint te voeden. Maar het kan ooit beginnen, als er iets in valt. Hoewel we niets weten dat er snel in kan vallen. Maar misschien missen we koud gas.
Hmmm.
hoe dan ook, onthoud dit ook: hoewel zwarte gaten op grote schaal dood en vernietiging kunnen veroorzaken, helpen ze ook sterrenstelsels zelf te vormen! Dus we danken ons bestaan aan hen.
zwarte gaten kunnen een lage dichtheid hebben.
van alle vreemde dingen over zwarte gaten, is deze het vreemdst voor mij.
zoals je zou verwachten, wordt de waarnemingshorizon van een zwart gat groter naarmate de massa groter wordt. Dat komt omdat als je massa toevoegt, de zwaartekracht sterker wordt, wat betekent dat de waarnemingshorizon zal groeien.
als je de berekening zorgvuldig doet, zie je dat de waarnemingshorizon lineair groeit met de massa. Met andere woorden, als je de massa van het zwarte gat verdubbelt, verdubbelt de radius van de waarnemingshorizon ook.
dat is vreemd! Waarom?
het volume van een bol hangt af van de kubus van de straal (denk terug naar de middelbare school: volume = 4/3 x π X radius3). Verdubbel de straal, en het volume stijgt met 2 x 2 x 2 = 8 keer. Maak de straal van een bol 10 keer groter en het volume stijgt met een factor 10 x 10 x 10 = 1000.
dus volume gaat heel snel omhoog als je de grootte van een bol vergroot.
stel je nu voor dat je twee bollen klei hebt die even groot zijn. Voeg ze samen. Is de resulterende bol twee keer zo groot?
Nee! Je hebt de massa verdubbeld, maar de radius neemt maar een beetje toe. Om de straal van je laatste kleibal te verdubbelen, moet je er acht samenvoegen.
maar dat is anders dan een zwart gat. Verdubbel de massa, verdubbel de grootte van de waarnemingshorizon. Dat heeft een oneven implicatie…
dichtheid is hoeveel massa is verpakt in een bepaald volume. Houd de grootte gelijk en voeg massa toe, en de dichtheid gaat omhoog. Verhoog het volume, maar houd de massa hetzelfde, en de dichtheid daalt. Begrepen?
laten we nu eens kijken naar de gemiddelde dichtheid van materie binnen de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Als ik twee identieke zwarte gaten neem en ze Bots, verdubbelt de grootte van de waarnemingshorizon, en de massa verdubbelt ook. Maar het volume is acht keer gestegen. Dus de dichtheid neemt eigenlijk af, en is 1/4 waarmee ik begon (tweemaal de massa en acht keer het volume geeft je 1/4 de dichtheid). Blijf dat doen, en de dichtheid neemt af.
een gewoon zwart gat — dat wil zeggen één met drie keer de massa van de zon — met een waarnemingshorizonradius van ongeveer 9 km. Dat betekent dat het een enorme dichtheid heeft, ongeveer twee biljard gram per kubieke cm (2 x 1015). Maar verdubbel de massa, en de dichtheid daalt met een factor vier. Doe er 10 keer de massa in en de dichtheid daalt met een factor 100. Een miljard zonnemassa zwart gat (groot, maar we zien ze zo groot in melkwegcentra) zou die dichtheid met een factor 1 x 1018 laten dalen. Dat geeft het een dichtheid van ongeveer 1/1000 gram per cc… en dat is de dichtheid van lucht!
een miljard zonnemassa zwart gat zou een waarnemingshorizon hebben van 3 miljard km in straal-ongeveer de afstand van Neptunus tot de zon.
zie je waar ik naartoe ga? Als je het zonnestelsel langs Neptunus zou losmaken, het zou omsluiten in een gigantische bol, en het vullen met lucht, zou het een zwart gat zijn!
dat is voor mij verreweg het vreemdste aan zwarte gaten. Zeker, ze vervormen de ruimte, vervormen de tijd, spelen met ons gevoel van wat echt is en niet… maar als ze het alledaagse aanraken en daarmee rotzooien, nou, dat is wat me raakt.
ik dacht hier voor het eerst aan op een black hole conferentie in Stanford een paar jaar geleden. Ik liep met de bekende zwart gat expert Roger Blandford toen het me raakte. Ik maakte een snelle mentale berekening om ervoor te zorgen dat ik de getallen goed had, en gerelateerd aan Roger dat een zonnestelsel vol met lucht een zwart gat zou zijn. Hij dacht er even over na en zei: “ja, dat klinkt ongeveer goed.”
and that, me droogs, was one of the coolste moments of my hole life. Maar er aan denken doet nog steeds pijn aan mijn hersenen.
conclusie
wat kan ik zeggen? Zwarte gaten zijn raar.
er kon natuurlijk nog veel meer over worden gezegd. En wormgaten? En hoe ze zich vormen? hoe zit het met Hawking straling? Kunnen zwarte gaten volledig verdampen?
u kunt antwoorden op deze en andere vragen elders op het web vinden (en zelfs op deze blog); Ik kon niet alles in slechts tien secties behandelen! Maar Ik zal noteren (schokkend) dat hoofdstuk 5 van mijn boek Death from the Skies! praat in detail over hoe ze zich vormen, en wat ze kunnen doen als je te dicht bij ze komt. Latere hoofdstukken spreken ook over het zwarte gat in de kern van de Melkweg, en wat er over een lange tijd met zwarte gaten zal gebeuren… letterlijk, 1060, 1070, zelfs een googol jaren vanaf nu.
maar zelfs dan is dat nog niet het engste aan zwarte gaten. Ik heb dit bijna niet op de post gezet, het is zo over de top mind-numbingly afschuwelijk. Maar ik ben een wetenschapper, en we zijn sceptici hier, dus we kunnen het aan. Ik presenteer jullie het ergste van zwarte gaten: