Ei bine, sunt negri, și sunt ca niște găuri fără fund. Cum le-ai numi?- Eu, când un prieten m-a întrebat de ce sunt numite ceea ce sunt
ah, găuri negre. Ultimul inductor de fiori al cosmosului, rechinii care se zbat, păianjenii care se scurg, sperie … ceva înfricoșător. Dar suntem fascinați de ei, fără îndoială — chiar dacă nu înțelegem multe despre ei.
dar atunci, de aceea sunt aici. Permiteți-mi să fiu ghidul dvs. turistic la infinit. Sau invers, presupun. Din moment ce este Halloween acest lucru pare potrivit … și moartea mea carte din cer! tocmai a ieșit, și există o mulțime de moduri în care o gaură neagră poate distruge Pământul. Mwuhahahaha.
deci, mai jos vă prezint zece fapte despre găurile negre — al treilea din seria mea de zece lucruri pe care nu le cunoașteți (primul a fost pe Calea Lactee; al doilea despre Pământ). Cititorii obișnuiți vor ști câteva dintre acestea, deoarece am vorbit despre ele înainte, dar sper că nu știți toate acestea. Și dacă o faceți, atunci nu ezitați să lăsați un comentariu despre intelectul dvs. superior. Atenție, această listă nu este nici pe departe completă: aș fi putut alege probabil 50 de lucruri ciudate despre găurile negre. Dar îmi plac astea.
nu masa lor, mărimea lor îi face atât de puternici.
OK, în primul rând, un primer foarte rapid pe găurile negre. Poartă-te cu mine!
cel mai comun mod de a forma o gaură neagră este în miezul unei stele masive. Miezul rămâne fără combustibil și se prăbușește. Aceasta declanșează o undă de șoc, aruncând în aer straturile exterioare ale stelei, provocând o supernovă. Deci, inima stelei se prăbușește în timp ce restul explodează spre exterior (aceasta este versiunea de note a stâncii; pentru mai multe detalii despre proces — ceea ce este foarte cool, așa că ar trebui să îl citiți — consultați descrierea mea).
pe măsură ce miezul se prăbușește, gravitația sa crește. La un moment dat, dacă miezul este suficient de masiv (de aproximativ 3 ori masa Soarelui), gravitația devine atât de puternică încât chiar la suprafața miezului care se prăbușește viteza de evacuare crește până la viteza luminii. Asta înseamnă că nimic nu poate scăpa de gravitatea acestui obiect, nici măcar lumina. Deci e negru. Și din moment ce nimic nu poate scăpa, citiți citatul din partea de sus a paginii.
regiunea din jurul găurii negre în sine, unde viteza de evacuare este egală cu viteza luminii, se numește orizontul evenimentelor. Orice eveniment care se întâmplă în interiorul său este pentru totdeauna invizibil.
OK, deci acum știți ce este unul și cum se formează. Acum, aș putea explica de ce au o gravitație atât de puternică, dar știi ce? Prefer să-l las pe tipul ăsta s-o facă. Am auzit că e bun.
deci, nu te duci. Sigur, masa este importantă, dar uneori lucrurile mici contează.
nu sunt infinit de mici.
deci OK, sunt mici, dar cât de mici sunt?
scriam despre găurile negre în slujba mea anterioară și am avut o discuție amuzantă despre ceea ce am vrut să spunem prin gaura neagră: ne-am referit la obiectul însuși care se prăbușește până la un punct matematic sau la orizontul evenimentelor care îl înconjoară? Am spus orizontul evenimentului, dar șeful meu a spus că a fost obiectul. Am decis că are un punct (HAHAHAHAHA! Un „punct”! Omule, mă omor) și m-am asigurat că atunci când am scris despre orizontul evenimentului versus gaura neagră în sine, mă clarific.
cum am spus mai sus, la miezul care se prăbușește, ceasul său continuă să ticăie, așa că se vede prăbușindu-se până la un punct, chiar dacă orizontul evenimentului are o dimensiune finită.
ce se întâmplă cu miezul? Masa reală care s-a prăbușit?
aici, nu vom ști niciodată sigur. Nu putem vedea în, și destul de sigur că nu va trimite nici o informație. Dar matematica noastră în aceste situații este destul de bună și putem cel puțin să le aplicăm nucleului care se prăbușește, chiar și atunci când este mai mic decât orizontul evenimentelor.
va continua să se prăbușească, iar gravitația crește. Mai mici, mai mici … și când eram copil am citit întotdeauna că se prăbușește tot drumul până la un punct geometric, un obiect fără dimensiuni, la toate. Asta chiar m-a deranjat, după cum vă puteți imagina… la fel de bine ar trebui. Pentru că e greșit.
la un moment dat, nucleul care se prăbușește va fi mai mic decât un atom, mai mic decât un nucleu, mai mic decât un electron. În cele din urmă va ajunge la o dimensiune numită lungimea Planck, o unitate atât de mică încât mecanica cuantică o guvernează cu un pumn de fier. O lungime Planck este un fel de limită de dimensiune cuantică: dacă un obiect devine mai mic decât acesta, literalmente nu putem ști prea multe despre el cu nicio certitudine. Fizica reală este complicată, dar destul de mult când miezul care se prăbușește atinge această dimensiune, chiar dacă am putea străpunge cumva orizontul evenimentului, nu am putea măsura dimensiunea sa reală. De fapt, termenul „dimensiune reală” nu înseamnă cu adevărat nimic la acest tip de scară. Dacă universul însuși te împiedică să-l măsori, ai putea la fel de bine să spui că termenul nu are sens.
și cât de mică este lungimea unui Planck? Teeny tiny: aproximativ 10^-35 metri. E o sută de cvintilioane de mărimea unui proton.
deci, dacă cineva spune că o gaură neagră are dimensiunea zero, poți fi geeky și tehnic și să spui, nu chiar, ci meh. Destul de aproape.
sunt sfere. Și cu siguranță nu au formă de pâlnie.
gravitația pe care o simți de la un obiect depinde de două lucruri: masa obiectului și distanța ta față de acel obiect. Aceasta înseamnă că oricine se află la o anumită distanță de un obiect masiv — să zicem, un milion de kilometri — ar simți aceeași forță de gravitație din acesta. Această distanță definește o sferă în jurul unui obiect: oricine de pe suprafața sferei ar simți aceeași gravitație de la obiectul din centru.
dimensiunea unui orizont de evenimente al unei găuri negre depinde de gravitație, deci într-adevăr orizontul evenimentului este o sferă care înconjoară gaura neagră. Din exterior, dacă ați putea da seama cum să vedeți orizontul evenimentului în primul rând, ar arăta ca o sferă neagră.
unii oameni cred că găurile negre sunt cercuri sau, mai rău, în formă de pâlnie. Lucrul cu pâlnia este o concepție greșită din partea oamenilor care încearcă să explice gravitația ca o îndoire în spațiu și simplifică lucrurile prin prăbușirea spațiului 3D în 2D; ei spun că spațiul este ca o foaie de pat, iar obiectele cu spațiu de îndoire în masă la fel cum un obiect masiv (o minge de bowling, să zicem) va deforma o foaie de pat. Dar spațiul nu este 2D, este 3D (chiar 4D dacă includeți timpul) și astfel această explicație poate confunda oamenii cu privire la forma reală a unui orizont de evenimente al găurii negre.
am avut copii să mă întrebe ce se întâmplă dacă te apropii de o gaură neagră de dedesubt! Uneori nu înțeleg că găurile negre sunt sfere și că nu există dedesubt. Dau vina pe povestea cu pâlnia. Din păcate, este cea mai bună analogie pe care am văzut-o, așa că am rămas cu ea. Utilizați-l cu grijă.
găurile negre se rotesc!
este un fel de gând ciudat, dar găurile negre se pot roti. Stelele se rotesc, iar când miezul se prăbușește viteza de rotație în sus (analogia obișnuită este cea a unui patinator de gheață care aduce în brațe, crescând rata de rotație). Pe măsură ce miezul stelei devine mai mic, se rotește mai rapid. Dacă nu are suficientă masă pentru a deveni o gaură neagră, materia se strânge împreună pentru a forma o stea neutronică, o minge de neutroni la câțiva kilometri. Am detectat sute de astfel de obiecte și tind să se rotească foarte rapid, uneori de sute de ori pe secundă!
același lucru este valabil și pentru o gaură neagră. Chiar dacă materia se micșorează mai puțin decât orizontul evenimentelor și este pierdută pentru universul exterior pentru totdeauna, Materia încă se învârte. Nu este foarte clar ce înseamnă acest lucru dacă încercați să calculați ce se întâmplă cu problema odată ce se află în orizontul evenimentului. Forța centrifugă o împiedică să se prăbușească până la lungimea Planck? Matematica este diabolică, dar capabilă și implică faptul că materia care se încadrează va lovi materia în orizontul evenimentului încercând să cadă mai departe, dar incapabilă din cauza rotației, acest lucru provoacă o grămadă masivă și câteva artificii destul de spectaculoase … pe care nu le vom vedea niciodată, pentru că este de cealaltă parte a infinitului. Bummer.
lângă o gaură neagră, lucrurile devin ciudate.
rotirea găurii negre aruncă o maimuță în cheia orizontului evenimentului. Găurile negre distorsionează țesătura spațiului în sine și, dacă se rotesc, distorsiunea însăși devine distorsionată. Spațiul poate fi înfășurat în jurul unei găuri negre — un fel de țesătură a unei foi prinsă într-un burghiu Rotativ.
aceasta creează o regiune de spațiu în afara orizontului evenimentului numită ergosferă. Este un sferoid aplatizat, o formă de minge aplatizată, și dacă sunteți în afara orizontului evenimentului, dar în interiorul ergosferei, veți găsi că nu puteți sta liniștiți. Literalmente. Spațiul este târât pe lângă tine și te poartă împreună cu el. Vă puteți deplasa cu ușurință în direcția de rotație a găurii negre, dar dacă încercați să treceți, nu puteți. de fapt, în interiorul spațiului ergosferei se mișcă mai repede decât lumina! Materia nu se poate mișca atât de repede, dar se pare că, potrivit lui Einstein, spațiul însuși poate. Deci, dacă doriți să treceți peste o gaură neagră, va trebui să vă mișcați mai repede decât lumina în direcția opusă rotirii. Nu poți face asta, așa că trebuie să te miști cu rotirea, să zbori sau să cazi. Acestea sunt alegerile tale.
vă sugerez să zburați. Rapid. Pentru că …
apropierea unei găuri negre te poate ucide în moduri distractive. Și prin distracție, vreau să spun macabru, oribil, și într-adevăr într-adevăr ookie.
sigur, dacă te apropii prea mult, plop! Tu cazi. Dar chiar dacă păstrezi distanța, tot ai probleme …
gravitația depinde de distanță. Cu cât sunteți mai departe de un obiect, cu atât gravitatea acestuia este mai slabă. Deci, dacă aveți un obiect lung lângă unul masiv, obiectul lung va simți o forță gravitațională mai puternică la capătul apropiat față de o forță mai slabă la capătul îndepărtat! Această schimbare a gravitației pe distanță se numește forța mareelor (care este un pic impropriu, nu este într-adevăr o forță, este o forță diferențială și da, este legată de motivul pentru care avem maree oceanice pe Pământ de la lună).
problema este că găurile negre pot fi mici — un BH cu o masă de aproximativ trei ori mai mare decât Soarele are un orizont de evenimente la doar câțiva kilometri — și asta înseamnă că vă puteți apropia de ele. Și asta, la rândul său, înseamnă că forța mareelor pe care o simți de la unul poate deveni tulburător de mare.
să presupunem că cădeți picioarele mai întâi într-o masă stelară BH. Se pare că, pe măsură ce vă apropiați, diferența de gravitate dintre cap și picioare poate deveni imensă. Imens. Forța poate fi atât de puternică încât picioarele îți sunt smulse din cap cu sute de milioane de ori forța gravitației Pământului. Ai fi întins într-un fir lung și subțire și apoi mărunțit.
astronomii numesc această spaghetificare. Ewwww.
deci apropierea de o gaură neagră este periculoasă chiar dacă nu cădeți. Evident, există într-adevăr un val în afacerile oamenilor.
găurile negre nu sunt întotdeauna întunecate.
chestia e că găurile negre pot ucide de departe.
Materia care cade într-o gaură neagră ar cădea rareori dacă ar dispărea. Dacă are un pic de mișcare laterală, va merge în jurul găurii negre. Pe măsură ce mai multă materie intră, toate aceste gunoaie se pot aduna în jurul găurii. Din cauza modului în care se comportă obiectele rotative, această materie va crea un disc de material care se învârte nebunește în jurul găurii și, deoarece gravitatea găurii se schimbă atât de rapid odată cu distanța, Materia apropiată va orbita mult mai repede decât lucrurile mai îndepărtate. Această chestiune se freacă literalmente împreună, generând căldură prin frecare. Chestia asta poate deveni foarte fierbinte, cum ar fi milioane de grade fierbinte. Materia care strălucește fierbinte cu o strălucire intensă … ceea ce înseamnă că în apropierea găurii negre, această materie poate fi foarte luminoasă.
mai rău, forțele magnetice și alte forțe pot focaliza două fascicule de energie care ies din polii discului. Grinzile încep chiar în afara găurii negre, dar pot fi văzute la milioane sau chiar miliarde de ani lumină distanță.
sunt luminoase.
de fapt, găurile negre care mănâncă materie în acest fel pot străluci atât de puternic încât devin cele mai strălucitoare obiecte care emit continuu din Univers! Numim aceste găuri negre active.
și ca și cum găurile negre nu ar fi suficient de periculoase, Materia devine atât de fierbinte chiar înainte de a face plonjarea finală încât poate emite cu furie raze X, forme de lumină de mare energie (iar fasciculele pot emite lumină de energie chiar mai mare decât aceasta). Deci, chiar dacă vă parcați nava spațială bine în afara orizontului evenimentului unei găuri negre, dacă altceva cade și este mărunțit, veți fi recompensat prin faptul că sunteți prăjit de echivalentul unui examen dentar gazillion.
este posibil să fi menționat acest lucru: găurile negre sunt periculoase. Cel mai bine este să stai departe de ei.
găurile negre nu sunt întotdeauna periculoase.
acestea fiind spuse, permiteți-mi să vă pun o întrebare: dacă ar fi să iau Soarele și să-l înlocuiesc cu cristale Folgers o gaură neagră de exact aceeași masă, ce s-ar întâmpla? Pământul va cădea, va fi aruncat sau doar va orbita așa cum se întâmplă întotdeauna?
majoritatea oamenilor cred că Pământul ar cădea, aspirat inexorabil de gravitația puternică a găurii negre. Dar amintiți-vă, gravitatea pe care o simțiți de la un obiect depinde de masa obiectului și de Distanța dvs. de acesta. Am spus că gaura neagră are aceeași masă ca și soarele, îți amintești? Și distanța Pământului nu s-a schimbat. Deci gravitația pe care am simți-o de aici, la 150 de milioane de kilometri distanță, ar fi exact aceeași! Deci Pământul ar orbita gaura neagră solară la fel de frumos cum orbitează Soarele acum.
desigur, am muri înghețați. Nu poți avea totul.
găurile negre pot deveni mari.
Î: Ce se întâmplă dacă două găuri negre cu masă stelară se ciocnesc?
A: Ai o gaură neagră mai mare.
puteți extrapola de acolo. Găurile negre pot mânca alte obiecte, inclusiv alte găuri negre, astfel încât să poată crește. Credem că la începutul universului, când galaxiile tocmai se formau, Materia colectată în centrul galaxiei în curs de formare se poate prăbuși pentru a forma o gaură neagră foarte masivă. Pe măsură ce mai multă materie intră, gaura o consumă cu lăcomie și crește. În cele din urmă veți obține o gaură neagră supermasivă, una cu milioane sau chiar miliarde de ori masa Soarelui.
cu toate acestea, amintiți-vă că pe măsură ce materia cade în ea se poate încălzi. Poate fi atât de fierbinte încât presiunea luminii în sine poate sufla materialul care este mai departe, un pic ca vântul solar, dar la o scară mult mai mare. Puterea vântului depinde de multe lucruri, inclusiv de masa găurii negre; cu cât gaura este mai puternică, cu atât vântul este mai puternic. Acest vânt împiedică mai multă materie să cadă, așa că acționează ca o supapă de tăiere pentru gaura din ce în ce mai subțire.
nu numai asta, dar în timp gazul și praful din jurul găurii negre (bine, destul de departe, dar încă aproape de centrul galaxiei) se transformă în stele. Gazul poate cădea într-o gaură neagră mai ușor decât stelele (dacă norii de gaz se ciocnesc frontal, mișcarea lor față de gaura neagră se poate opri, permițându-le să cadă; stelele sunt prea mici și prea îndepărtate pentru ca acest lucru să se întâmple). Deci, în cele din urmă, gaura neagră nu mai consumă materie, deoarece nimic nu mai cade în ea. Se oprește în creștere, galaxia devine stabilă și toată lumea este fericită.
de fapt, când privim în univers astăzi, vedem că aproape fiecare galaxie mare are o gaură neagră supermasivă în inima sa. Chiar și Calea Lactee are o gaură neagră în centrul său cu o masă de patru milioane de ori mai mare decât cea a soarelui. Înainte de a începe să alergați în cercuri și să țipați, amintiți-vă acest lucru: 1) este departe, 26.000 de ani lumină (260 de cvadrilioane de kilometri), 2) masa sa este încă foarte mică în comparație cu cele 200 de miliarde de mase solare ale galaxiei noastre și, prin urmare, 3) nu ne poate face rău cu adevărat. Cu excepția cazului în care începe să se hrănească activ. Dar ar putea începe cândva, dacă ceva cade în ea. Deși nu știm nimic care ar putea cădea în ea în curând. Dar s-ar putea să ne lipsească gazul rece.
Hmmm.
oricum, amintiți-vă și acest lucru: chiar dacă găurile negre pot provoca moartea și distrugerea la scară majoră, ele ajută și galaxiile să se formeze! Așa că le datorăm existența noastră.
găurile negre pot avea densitate scăzută.
dintre toate ciudățeniile despre găurile negre, aceasta este cea mai ciudată pentru mine.
după cum v-ați putea aștepta, orizontul evenimentelor unei găuri negre devine mai mare pe măsură ce masa devine mai mare. Asta pentru că dacă adăugați masă, gravitația devine mai puternică, ceea ce înseamnă că orizontul evenimentelor va crește.
dacă faceți matematica cu atenție, veți descoperi că orizontul evenimentului crește liniar cu masa. Cu alte cuvinte, dacă dublați masa găurii negre, raza orizontului evenimentului se dublează și ea.
asta e ciudat! De ce?
volumul unei sfere depinde de cubul razei (gândiți-vă înapoi la liceu: volum = 4/3 x x x x radius3). Dublați raza, iar volumul crește cu 2 x 2 x 2 = 8 ori. Faceți raza unei sfere de 10 ori mai mare și volumul crește cu un factor de 10 x 10 x 10 = 1000.
deci volumul crește foarte repede pe măsură ce măriți dimensiunea unei sfere.
acum imaginați-vă că aveți două sfere de lut care au aceeași dimensiune. Strângeți-le împreună. Sfera rezultată este de două ori mai mare?
nu! Ai dublat masa, dar raza crește doar puțin. Deoarece volumul merge ca rază cubată, pentru a dubla raza mingii de lut finale, va trebui să strângeți împreună opt dintre ele.
dar asta e diferit de o gaură neagră. Dublați masa, dublați dimensiunea orizontului evenimentului. Asta are o implicație ciudată…
densitatea este cât de multă masă este împachetată într-un volum dat. Păstrați dimensiunea la fel și adăugați masă, iar densitatea crește. Măriți volumul, dar păstrați masa la fel, iar densitatea scade. Ai înțeles?
deci, acum să ne uităm la densitatea medie a materiei în interiorul orizontului evenimentului găurii negre. Dacă iau două găuri negre identice și le ciocnesc, dimensiunea orizontului evenimentului se dublează, iar masa se dublează și ea. Dar volumul a crescut de opt ori! Deci densitatea scade de fapt, și este 1/4 ceea ce am început cu (de două ori masa și de opt ori volumul vă oferă 1/4 densitatea). Continuați să faceți asta și densitatea scade.
o gaură neagră obișnuită — adică una cu de trei ori masa Soarelui — are o rază a orizontului evenimentelor de aproximativ 9 km. Asta înseamnă că are o densitate uriașă, aproximativ două cvadrilioane de grame pe cm cubi (2 x 1015). Dar dublați masa, iar densitatea scade cu un factor de patru. Puneți de 10 ori masa și densitatea scade cu un factor de 100. O gaură neagră de un miliard de masă solară (mare, dar le vedem atât de mari în centrele galaxiilor) ar scădea această densitate cu un factor de 1 x 1018. Asta i-ar da o densitate de aproximativ 1/1000 dintr-un gram pe cc… și asta este densitatea aerului!
o gaură neagră de miliarde de masă solară ar avea un orizont de evenimente de 3 miliarde km în rază — aproximativ distanța lui Neptun față de soare.
vezi unde mă duc aici? Dacă ar fi să închideți sistemul solar dincolo de Neptun, să-l închideți într-o sferă uriașă și să-l umpleți cu aer, ar fi o gaură neagră!
asta, pentru mine, este de departe cel mai ciudat lucru despre găurile negre. Sigur, deformează spațiul, distorsionează timpul, se joacă cu simțul nostru a ceea ce este real și nu este… dar când ating cotidian și șurub cu asta, Ei bine, asta mă înțelege.
m-am gândit prima dată la asta la o conferință a găurilor negre de la Stanford, acum câțiva ani. Mergeam cu cunoscutul expert în găuri negre Roger Blandford când m-a lovit. Am făcut un calcul mental rapid pentru a mă asigura că am numerele corecte și legat de Roger că un sistem solar plin de aer ar fi o gaură neagră. S-a gândit la asta pentru o clipă și a spus: „da, sună cam corect.”
și asta, droogs, a fost unul dintre cele mai tari momente din viața mea de gaură. Dar gândindu-mă la asta încă îmi face creierul rănit.
concluzie
Ei bine, ce pot să spun? Găurile negre sunt ciudate.
după cum se întâmplă, s-ar putea spune mult mai multe despre ei, desigur. Dar găurile de vierme? Dar cum se formează? dar radiațiile Hawking? Se pot evapora complet găurile negre?
puteți găsi răspunsuri la aceste și alte întrebări în altă parte pe web (și chiar pe acest blog); nu am putut acoperi totul în doar zece secțiuni! Dar voi nota (șocant) că Capitolul 5 al cărții mele moartea din cer! vorbește în detaliu despre modul în care se formează și ce pot face dacă te apropii prea mult de ei. Capitolele ulterioare vorbesc, de asemenea, despre gaura neagră din miezul Căii Lactee și ce se va întâmpla cu găurile negre mult timp de acum… literalmente, 1060, 1070, chiar și un googol ani de acum.
dar chiar și atunci, acesta nu este cel mai înfricoșător lucru despre găurile negre. Aproape că nu am pus acest lucru în post, este atât de peste partea de sus minte-numbingly oribil. Dar eu sunt un om de știință, și suntem sceptici aici, astfel încât să putem lua. Așa că vă prezint, cel mai rău lucru despre găurile negre dintre toate: