są Czarne i są jak bezdenne dziury. Jak byś je nazwał?- Ja, kiedy znajomy zapytał mnie, dlaczego nazywają się czym są
Ah, czarne dziury. Największy dreszczowiec kosmosu, rekiny, pająki, straszące … coś strasznego. Ale jesteśmy nimi zafascynowani, nie mamy wątpliwości — nawet jeśli nie rozumiemy o nich zbyt wiele.
ale po to tu jestem. Pozwól mi być twoim przewodnikiem po nieskończoności. Albo odwrotnie. Skoro jest Halloween, to wydaje się właściwe … i moja książka śmierć z nieba! właśnie wyszedł i jest wiele sposobów na to, by czarna dziura mogła zniszczyć Ziemię. Mwuhahahaha.
tak więc poniżej przedstawiam dziesięć faktów na temat czarnych dziur — trzecią z mojej serii dziesięciu rzeczy, których nie wiesz (pierwsza była na Drodze Mlecznej, druga na Ziemi). Zwykli czytelnicy będą wiedzieć kilka z nich, ponieważ mówiłem o nich wcześniej, ale mam nadzieję, że nie wiesz o nich wszystkich. A jeśli tak, to nie krępuj się zostawić komentarz preening o Twój nadrzędny intelekt. Pamiętaj, ta lista nie jest prawie kompletna: mogłem wybrać prawdopodobnie 50 rzeczy, które są dziwne w czarnych dziurach. Ale te mi się podobają.
to nie ich masa, to ich rozmiar czyni je tak silnymi.
ok, najpierw bardzo szybki podkład na czarne dziury. Cierpliwości!
najczęstszym sposobem formowania się czarnej dziury jest jądro masywnej gwiazdy. Rdzeń wyczerpuje się i zapada. To wywołuje falę uderzeniową, wysadzając zewnętrzne warstwy gwiazdy, powodując supernową. Tak więc serce gwiazdy zapada się, podczas gdy reszta eksploduje na zewnątrz(jest to wersja notatek klifu; więcej szczegółów na temat procesu — co jest bardzo fajne, więc powinieneś to przeczytać — sprawdź mój opis).
gdy rdzeń się zapada, jego grawitacja wzrasta. W pewnym momencie, jeśli jądro jest wystarczająco masywne (około 3 razy masywniejsze od Słońca), grawitacja staje się tak silna, że na powierzchni zapadającego się jądra prędkość ucieczki wzrasta do prędkości światła. Oznacza to, że nic nie może uciec grawitacji tego obiektu, nawet światło. Więc jest czarny. A ponieważ nic nie może uciec, cóż, Przeczytaj cytat na górze strony.
obszar wokół czarnej dziury, w którym prędkość ucieczki jest równa prędkości światła, nazywany jest horyzontem zdarzeń. Każde zdarzenie, które wydarzy się w środku, jest na zawsze niewidoczne.
OK, więc teraz wiesz co to jest i jak się tworzą. Mógłbym wyjaśnić, dlaczego mają tak silną grawitację, ale wiesz co? Wolałabym, żeby ten facet to zrobił. Słyszałem, że jest dobry.
więc proszę bardzo. Oczywiście, masa jest ważna, ale czasami liczą się małe rzeczy.
nie są nieskończenie małe.
więc OK, są małe, ale jak małe są?
pisałem o czarnych dziurach w mojej poprzedniej pracy i wdaliśmy się w zabawną dyskusję na temat tego, co mieliśmy na myśli przez czarną dziurę: czy chodziło nam o sam obiekt, który zapada się do matematycznego punktu, czy otaczający go horyzont zdarzeń? Powiedziałem horyzont zdarzeń, ale mój szef powiedział, że to obiekt. Uznałem, że ma rację (HAHAHAHAHA! Punkt! Człowieku, zabijam się), i upewniłem się, że kiedy pisałem o horyzoncie zdarzeń w porównaniu z samą czarną dziurą, wyraziłem się jasno.
jak powiedziałem powyżej, do zapadającego się rdzenia, jego zegar ciągle tyka, więc widzi siebie zapadającego się aż do punktu, nawet jeśli horyzont zdarzeń ma jakąś skończoną wielkość.
co się dzieje z rdzeniem? Prawdziwa masa, która się zawaliła?
tutaj nigdy nie dowiemy się na pewno. Nie widzimy, a to na pewno nie wyśle żadnych informacji. Ale nasza matematyka w takich sytuacjach jest całkiem dobra i możemy przynajmniej zastosować je do zapadającego się rdzenia, nawet jeśli jest mniejszy niż horyzont zdarzeń.
nadal będzie się zapadać, a grawitacja wzrośnie. Mniejsze, mniejsze … a kiedy byłem dzieckiem zawsze czytałem, że zapada się aż do geometrycznej kropki, obiektu bez wymiarów. To naprawdę mnie wkurzyło, jak możesz sobie wyobrazić … i powinno. Bo to jest złe.
w pewnym momencie zapadające się jądro będzie mniejsze niż atom, mniejsze niż jądro, mniejsze niż elektron. W końcu osiągnie rozmiar zwany długością Plancka, jednostkę tak małą, że mechanika kwantowa rządzi nim żelazną ręką. Długość Plancka jest rodzajem kwantowej granicy wielkości: jeśli obiekt staje się mniejszy od tego, dosłownie nie możemy wiele o nim wiedzieć z całą pewnością. Faktyczna fizyka jest skomplikowana, ale kiedy zapadający się rdzeń osiągnie ten rozmiar, nawet jeśli w jakiś sposób przebijemy horyzont zdarzeń, nie będziemy mogli zmierzyć jego rzeczywistej wielkości. W rzeczywistości termin „rzeczywisty rozmiar” nie oznacza nic w takiej skali. Jeśli wszechświat nie pozwala ci go mierzyć, równie dobrze możesz powiedzieć, że ten termin nie ma znaczenia.
a jak mała jest długość Plancka? Teeny tiny: około 10^-35 metrów. To jedna 100 kwintyliona wielkości protonu.
więc jeśli ktoś mówi, że czarna dziura ma zerowy rozmiar, możesz być cały geekiczny i techniczny i powiedzieć, że nie bardzo, ale meh. Wystarczająco blisko.
to sfery. I na pewno nie są w kształcie lejka.
grawitacja, którą odczuwasz od obiektu, zależy od dwóch rzeczy: masy obiektu i Twojej odległości od tego obiektu. Oznacza to, że każdy, kto znajduje się w określonej odległości od masywnego obiektu — powiedzmy miliona kilometrów — odczułby od niego taką samą siłę grawitacji. Odległość ta określa sferę wokół obiektu: każdy na powierzchni kuli czułby taką samą grawitację od obiektu w centrum.
rozmiar horyzontu zdarzeń czarnej dziury zależy od grawitacji, więc tak naprawdę horyzont zdarzeń jest kulą otaczającą czarną dziurę. Z zewnątrz, gdybyś mógł dowiedzieć się, jak zobaczyć horyzont zdarzeń, wyglądałby jak czarna sfera.
niektórzy ludzie myślą o czarnych dziurach jako o kółkach, lub gorzej, w kształcie lejka. Ten lejek jest błędnym wyobrażeniem ludzi próbujących wyjaśnić grawitację jako zginanie w przestrzeni, i upraszczają to przez zwijanie przestrzeni 3D w 2D; mówią, że przestrzeń jest jak prześcieradło, a obiekty z masą wyginają się w ten sam sposób, w jaki masywny obiekt (powiedzmy kula do kręgli) wypaczy prześcieradło. Ale przestrzeń nie jest 2D, to 3D (nawet 4D, jeśli uwzględni się czas), więc to wyjaśnienie może mylić ludzi o rzeczywistym kształcie horyzontu zdarzeń czarnej dziury.
mam dzieci pytaja co sie stanie jak podejdziesz do czarnej dziury od spodu! Czasami nie rozumieją, że czarne dziury są kulami, a pod spodem nie ma. Winię historię lejka. Niestety, to najlepsza analogia, jaką widziałem, więc utknęliśmy z nią. Używaj go ostrożnie.
czarne dziury wirują!
to trochę dziwna myśl, ale czarne dziury mogą się kręcić. Gwiazdy obracają się, a gdy rdzeń się zapadnie, prędkość obrotowa jest znacznie wyższa (Zwykle analogia jest taka, że łyżwiarz, który przynosi w ramionach, zwiększając szybkość rotacji). Gdy jądro gwiazdy staje się mniejsze, obraca się szybciej. Jeśli nie ma wystarczająco dużo masy, by stać się czarną dziurą, Materia zostaje ściśnięta, tworząc gwiazdę neutronową, kulę neutronów o średnicy kilku kilometrów. Wykryliśmy setki takich obiektów i mają tendencję do bardzo szybkiego wirowania, czasami setki razy na sekundę!
to samo dotyczy czarnej dziury. Nawet gdy materia kurczy się mniej niż horyzont zdarzeń i jest na zawsze zagubiona w zewnętrznym wszechświecie, Materia wciąż się kręci. Nie jest do końca jasne, co to oznacza, jeśli próbujesz obliczyć, co dzieje się z materią, gdy znajduje się ona w horyzoncie zdarzeń. Czy siła odśrodkowa powstrzymuje go przed upadkiem aż do długości Plancka? Matematyka jest Diabelska, ale zdolna do wykonania i sugeruje, że materia wpadająca uderzy w materię wewnątrz horyzontu zdarzeń, próbując spadać dalej, ale nie mogąc z powodu obrotu, powoduje to ogromny stos i całkiem spektakularne fajerwerki … których nigdy nie zobaczymy, ponieważ jest po drugiej stronie nieskończoności. Pech.
w pobliżu czarnej dziury robi się dziwnie.
obrót czarnej dziury rzuca małpę w klucz horyzontu zdarzeń. Czarne dziury zniekształcają strukturę samej przestrzeni, a jeśli się obracają, zniekształcenie samo się zniekształca. Przestrzeń może zostać owinięta wokół czarnej dziury-coś w rodzaju tkaniny arkusza, która zostaje wciągnięta w obracające się wiertło.
tworzy to obszar przestrzeni poza horyzontem zdarzeń zwany ergosferą. To spłaszczona sferoida, spłaszczony kształt kuli, i jeśli jesteś poza horyzontem zdarzeń, ale wewnątrz ergosfery, odkryjesz, że nie możesz usiedzieć w miejscu. Dosłownie. Przestrzeń jest przeciągana obok ciebie i niesie cię ze sobą. Możesz łatwo poruszać się w kierunku obrotu czarnej dziury, ale jeśli spróbujesz unosić się, nie możesz. w rzeczywistości wewnątrz przestrzeni ergosfery porusza się szybciej niż światło! Materia nie może poruszać się tak szybko, ale okazuje się, że według Einsteina, sama przestrzeń może. Więc jeśli chcesz unosić się nad czarną dziurą, musisz poruszać się szybciej niż światło w kierunku przeciwnym do wirowania. Nie możesz tego zrobić, więc musisz ruszyć z obrotem, odlecieć lub wpaść. To twój wybór.
proponuję odlecieć. Szybko. Ponieważ …
zbliżanie się do czarnej dziury może cię zabić w zabawny sposób. I przez zabawę, mam na myśli makabryczne, przerażające i naprawdę ookie.
jasne, jak się za blisko zbliżysz, plop! Wpadasz. Ale nawet jeśli utrzymasz dystans, nadal masz kłopoty …
grawitacja zależy od odległości. Im dalej jesteś od obiektu, tym słabsza jest jego grawitacja. Więc jeśli masz długi obiekt w pobliżu masywnego, długi obiekt odczuje silniejszą siłę grawitacji na Bliskim końcu w porównaniu ze słabszą siłą na Dalekim końcu! Ta zmiana grawitacji na odległość nazywa się siłą pływową (co jest trochę mylące, nie jest to tak naprawdę siła, jest to siła różniczkowa i tak, jest to związane z tym, dlaczego mamy pływy oceaniczne na Ziemi od Księżyca).
rzecz w tym, że czarne dziury mogą być małe-BH o masie około trzy razy większej od Słońca ma horyzont zdarzeń o szerokości zaledwie kilku kilometrów-a to oznacza, że można się do nich zbliżyć. A to z kolei oznacza, że siła pływowa, którą odczuwasz, może stać się niepokojąco duża.
przypuśćmy, że najpierw spadniesz na BH o masie gwiazdowej. Okazuje się, że w miarę zbliżania się różnica grawitacji między głową a stopami może być ogromna. Ogromny. Siła może być tak silna, że Twoje stopy odrywają się od głowy siłą setki milionów razy większą niż ziemska grawitacja. Zostałbyś rozciągnięty na długie, cienkie pasmo, a potem poszatkowany.
astronomowie nazywają to spaghetti. Ewwww.
więc zbliżanie się do czarnej dziury jest niebezpieczne, nawet jeśli nie wpadniesz. Ewidentnie, w sprawach ludzkich rzeczywiście panuje przypływ.
czarne dziury nie zawsze są ciemne.
rzecz w tym, że czarne dziury mogą zabijać z daleka.
Materia wpadająca do czarnej dziury rzadko wpadała prosto i znikała. Jeśli ma trochę ruchu bocznego, okrąża czarną dziurę. Jak więcej materii spada, wszystkie te śmieci mogą piętrzyć się wokół dziury. Ze względu na sposób, w jaki zachowują się obracające się obiekty, materia ta stworzy dysk materiału wirujący szalenie wokół otworu, a ponieważ grawitacja otworu zmienia się tak szybko wraz z odległością, Materia blisko środka będzie orbitować znacznie szybciej niż coś dalej na zewnątrz. Materia ta dosłownie ściera się ze sobą, wytwarzając ciepło poprzez tarcie. To może być naprawdę gorące, jak miliony stopni gorąca. Materia, która gorąca świeci intensywną jasnością … co oznacza, że w pobliżu czarnej dziury materia ta może być naprawdę świetlista.
co gorsza, siły magnetyczne i inne mogą skupiać dwie wiązki energii, które wychodzą z biegunów dysku. Promienie zaczynają się tuż za czarną dziurą, ale można je zobaczyć w odległości milionów, a nawet miliardów lat świetlnych.
są jasne.
w rzeczywistości czarne dziury, które odżywiają materię w ten sposób, mogą świecić tak jasno, że stają się najjaśniejszymi obiektami emitującymi światło we wszechświecie! Nazywamy to aktywnymi czarnymi dziurami.
i jakby czarne dziury nie były wystarczająco niebezpieczne, Materia robi się tak gorąca tuż przed ostatecznym zanurzeniem, że może wściekle emitować promienie rentgenowskie, wysokoenergetyczne formy światła (a wiązki mogą emitować światło o jeszcze wyższej energii). Więc nawet jeśli zaparkujesz swój statek daleko poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury, jeśli coś innego wpadnie i zostanie poszatkowane, zostaniesz nagrodzony przez usmażenie przez odpowiednik gazillion egzaminów dentystycznych.
chyba o tym wspomniałem: czarne dziury są niebezpieczne. Najlepiej trzymać się od nich z daleka.
czarne dziury nie zawsze są niebezpieczne.
skoro tak, to pozwól, że zadam ci pytanie: Gdybym miał wziąć słońce i zastąpić je Kryształami Folgersa czarną dziurą o dokładnie tej samej masie, co by się stało? Czy ziemia spadnie, zostanie wyrzucona, czy po prostu Orbita, jak zawsze?
większość ludzi myśli, że ziemia wpadnie, wciągnięta nieubłaganie w dół przez potężną grawitację czarnej dziury. Ale pamiętaj, że grawitacja, którą czujesz od obiektu, zależy od masy obiektu i Twojej odległości od niego. Powiedziałem, że czarna dziura ma taką samą masę jak słońce, pamiętasz? Odległość ziemi się nie zmieniła. Więc grawitacja, którą czulibyśmy stąd, 150 milionów kilometrów stąd, byłaby dokładnie taka sama! Więc ziemia okrążałaby czarną dziurę tak ładnie, jak teraz okrąża Słońce.
oczywiście zamarzlibyśmy na śmierć. Nie możesz mieć wszystkiego.
czarne dziury mogą być duże.
P: Co się stanie, jeśli zderzą się dwie czarne dziury o masie gwiazdowej?
A: dostajesz jedną większą czarną dziurę.
możesz stamtąd ekstrapolować. Czarne dziury mogą zjadać inne obiekty, w tym inne czarne dziury, dzięki czemu mogą rosnąć. Sądzimy, że we wczesnym okresie wszechświata, kiedy galaktyki dopiero się formowały, Materia gromadząca się w centrum rodzącej się galaktyki może się zapaść, tworząc bardzo masywną czarną dziurę. W miarę jak więcej materii spada, dziura pochlebnie ją pochłania i rośnie. W końcu otrzymujemy supermasywną czarną dziurę, o masie milionów, a nawet miliardów razy większej od masy Słońca.
pamiętaj jednak, że gdy materia się w niej zapada, może się nagrzać. Może być tak gorąco, że ciśnienie światła może zdmuchnąć materiał, który jest dalej, trochę jak wiatr słoneczny, ale na znacznie większą skalę. Siła wiatru zależy od wielu rzeczy, w tym od masy czarnej dziury; im bardziej dziura, tym bardziej wiatr. Ten wiatr zapobiega wpadaniu większej ilości materii, dzięki czemu działa jak zawór odcinający dla coraz bardziej obciążonego otworu.
nie tylko to, ale z czasem gaz i pył wokół czarnej dziury (cóż, dość daleko, ale wciąż w pobliżu centrum galaktyki) zamieniają się w gwiazdy. Gaz może wpaść do czarnej dziury łatwiej niż gwiazdy (jeśli chmury gazu zderzają się czołowo, ich ruch w stosunku do czarnej dziury może się zatrzymać, umożliwiając im upadek; gwiazdy są zbyt małe i zbyt daleko od siebie, aby tak się stało). W końcu czarna dziura przestaje pochłaniać materię, ponieważ nic więcej do niej nie wpada. Przestaje rosnąć, galaktyka staje się stabilna i wszyscy są szczęśliwi.
w rzeczywistości, kiedy patrzymy dziś we wszechświat, widzimy, że prawie każda duża galaktyka ma supermasywną czarną dziurę w sercu. Nawet droga Mleczna ma w jądrze czarną dziurę o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca. Zanim zaczniesz biegać w kółko i krzyczeć, pamiętaj o tym: 1) jest daleko, 26 000 lat świetlnych (260 kwadrylionów kilometrów), 2) jego masa jest nadal bardzo mała w porównaniu do 200 miliardów mas Słońca naszej galaktyki, a zatem 3) nie może nam naprawdę zaszkodzić. Chyba, że zacznie aktywnie żerować. Ale może się kiedyś zacznie, jeśli coś do niego wpadnie. Choć nie wiemy o niczym, co może się wkrótce w to wpaść. Ale możemy przegapić zimny Gaz.
Hmmm.
w każdym razie, pamiętaj też o tym: mimo że czarne dziury mogą powodować śmierć i zniszczenie na dużą skalę, pomagają również w tworzeniu się galaktyk! Więc zawdzięczamy im nasze istnienie.
czarne dziury mogą być niskiej gęstości.
ze wszystkich dziwactw o czarnych dziurach, ta jest dla mnie najdziwniejsza.
jak można się spodziewać, horyzont zdarzeń czarnej dziury staje się większy, gdy masa staje się większa. To dlatego, że jeśli dodamy masę, grawitacja będzie silniejsza, co oznacza, że horyzont zdarzeń wzrośnie.
jeśli dokładnie policzysz, zobaczysz, że horyzont zdarzeń rośnie liniowo wraz z masą. Innymi słowy, jeśli podwoisz masę czarnej dziury, promień horyzontu zdarzeń również się podwoi.
to dziwne! Dlaczego?
objętość kuli zależy od sześcianu o promieniu (pomyślmy wstecz: objętość = 4/3 x π x radius3). Podwój promień, a objętość wzrośnie o 2 x 2 x 2 = 8 razy. Zrób promień kuli 10 razy większy, a objętość wzrośnie o współczynnik 10 x 10 x 10 = 1000.
więc objętość rośnie bardzo szybko, gdy zwiększasz rozmiar kuli.
teraz wyobraź sobie, że masz dwie kule z gliny, które są tej samej wielkości. Połącz je. Czy otrzymana kula jest dwa razy większa?
Nie! Podwoiłeś masę, ale promień tylko trochę wzrasta. Ponieważ objętość jest powiększona o Promień sześcianu, aby podwoić promień Twojej ostatniej glinianej kuli, musisz zebrać osiem z nich.
ale to co innego niż czarna dziura. Podwoić masę, podwoić wielkość horyzontu zdarzeń. To ma dziwne implikacje…
gęstość to ile masy jest pakowane w daną objętość. Zachowaj ten sam rozmiar i dodaj masę, a gęstość wzrośnie. Zwiększ objętość, ale utrzymaj masę taką samą, a gęstość spadnie. Rozumiesz?
spójrzmy teraz na średnią gęstość materii wewnątrz horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Jeśli wezmę dwie identyczne czarne dziury i zderzę je, rozmiar horyzontu zdarzeń podwoi się, a masa podwoi się. Ale głośność wzrosła o osiem razy! Więc gęstość faktycznie maleje i wynosi 1/4 tego, od czego zacząłem(dwa razy masa i osiem razy objętość daje 1/4 gęstości). Rób tak dalej, a gęstość spadnie.
regularna czarna dziura – czyli jedna o trzykrotnie większej masie słońca-o promieniu horyzontu zdarzeń wynoszącym około 9 km. Oznacza to, że ma ogromną gęstość, około dwóch bilionów gramów na cm sześcienny (2 x 1015). Ale podwojenie masy i gęstość spada o cztery razy. Umieścić w 10 razy masa i gęstość spada o współczynnik 100. Miliard masy Słońca czarna dziura (duża, ale widzimy je tak duże w centrach galaktyk) zmniejszyłaby tę gęstość o współczynnik 1 x 1018. To daje gęstość około 1/1000 grama na cc … i to jest gęstość powietrza!
czarna dziura o masie miliarda mas słonecznych miałaby horyzont zdarzeń o promieniu 3 miliardów km-mniej więcej odległość Neptuna od Słońca.
widzisz, dokąd zmierzam? Gdyby połączyć układ słoneczny z Neptunem, zamknąć go w gigantycznej kuli i wypełnić powietrzem, byłaby to czarna dziura!
to dla mnie najdziwniejsza rzecz w czarnych dziurach. Pewnie, wypaczają przestrzeń, zniekształcają czas, bawią się naszym poczuciem tego, co jest prawdziwe, a co nie … ale kiedy dotykają codzienności i pieprzą to, to mnie wkurza.
po raz pierwszy pomyślałem o tym na konferencji black hole w Stanford kilka lat temu. Szedłem z wybitnym ekspertem od czarnej dziury Rogerem Blandfordem, kiedy to do mnie dotarło. Zrobiłem szybkie obliczenia umysłowe, aby upewnić się, że liczby są prawidłowe, i związane z Rogerem, że układ słoneczny pełen powietrza będzie czarną dziurą. Pomyślał o tym przez chwilę i powiedział: „tak, to brzmi dobrze.”
i to, ja droogs, był jednym z najfajniejszych momentów mojego dziurawego życia. Ale myśląc o tym, wciąż boli mnie mózg.
podsumowanie
cóż mogę powiedzieć? Czarne dziury są dziwne.
tak się składa, że można o nich oczywiście powiedzieć o wiele więcej. Co z tunelami czasoprzestrzennymi? A jak się tworzą? a promieniowanie Hawkinga? Czy czarne dziury mogą całkowicie wyparować?
odpowiedzi na te i inne pytania można znaleźć w innym miejscu w sieci (a nawet na tym blogu); nie mogłem opisać wszystkiego w zaledwie dziesięciu sekcjach! Ale zauważę (szokujący), że rozdział 5 mojej książki śmierć z nieba! szczegółowo opowiada o tym, jak się tworzą i co mogą zrobić, jeśli zbliżysz się do nich zbyt blisko. Późniejsze rozdziały mówią również o czarnej dziurze w jądrze Drogi Mlecznej i o tym, co stanie się z czarnymi dziurami za długi czas… dosłownie, 1060, 1070, a nawet za kilka lat.
ale nawet wtedy to nie jest najstraszniejsza rzecz w czarnych dziurach. Prawie nie umieściłem tego w poście, to takie przesadzone. Ale jestem naukowcem i jesteśmy sceptykami, więc możemy to przyjąć. Przedstawiam wam najgorszą rzecz o czarnych dziurach ze wszystkich: