de är svarta, och de är som bottenlösa hål. Vad skulle du kalla dem?- Jag, när en vän frågade mig varför de heter vad de är
Ah, svarta hål. Den ultimata rysningsinduceraren av kosmos, Out-jawing hajar, out-ooking spindlar, out-scaring … um, något läskigt. Men vi är fascinerade av dem, har ingen tvekan – även om vi inte förstår en hel del om dem.
men då är det därför jag är här. Låt mig vara din guide till oändligheten. Eller det omvända, antar jag. Eftersom det är Halloween verkar detta lämpligt … och min bok död från himlen! bara kom ut, och det finns många sätt ett svart hål kan förstöra jorden. Mwuhahahaha.
så nedan presenterar jag tio fakta om svarta hål — den tredje i min serie om tio saker du inte vet (den första var på Vintergatan; den andra om jorden). Vanliga läsare kommer att känna till några av dessa eftersom jag har pratat om dem tidigare, men jag hoppas att du inte känner till alla dessa. Och om du gör det, lämna gärna en kommentar om ditt överlägsna intellekt. Märk väl, denna lista är långt ifrån komplett: jag kunde ha plockat förmodligen 50 saker som är konstigt om svarta hål. Men jag gillar dessa.
det är inte deras massa, det är deras storlek som gör dem så starka.
OK, först, en riktigt snabb primer på svarta hål. Bär med mig!
det vanligaste sättet för ett svart hål att bildas är i kärnan i en massiv stjärna. Kärnan tar slut på bränsle och kollapsar. Detta sätter igång en chockvåg som blåser upp yttre lager av stjärnan och orsakar en supernova. Så stjärnans hjärta kollapsar medan resten av det exploderar utåt (det här är Cliff ’ s notes — versionen, för mer information om processen — vilket är väldigt coolt, så du borde läsa det-kolla in min beskrivning av det).
när kärnan kollapsar ökar dess tyngdkraft. Vid någon tidpunkt, om kärnan är massiv nog (ca 3 gånger solens massa), blir tyngdkraften så stark att höger vid ytan av den kollapsande kärnan ökar flyghastigheten till ljusets hastighet. Det betyder att ingenting kan undgå allvaret i detta objekt, inte ens ljus. Så det är svart. Och eftersom ingenting kan fly, Läs citatet högst upp på sidan.
regionen runt det svarta hålet själv där flykthastigheten är lika med ljusets hastighet kallas händelsehorisonten. Varje händelse som händer inuti den är för alltid osynlig.
OK, så nu vet du vad man är och hur de bildas. Nu kan jag förklara varför de har så stark gravitation, men vet du vad? Jag skulle hellre låta den här killen göra det. Jag hör att han är bra.
så där går du. Visst, massan är viktig, men ibland är det de små sakerna som räknas.
de är inte oändligt små.
så OK, de är små, men hur små är de?
jag skrev om svarta hål i mitt tidigare jobb, och vi fick en rolig diskussion om precis vad vi menade med svart hål: menade vi själva objektet som kollapsar ner till en matematisk punkt eller händelsehorisonten som omger det? Jag sa händelsehorisonten, men min chef sa att det var föremålet. Jag bestämde att hon hade en poäng (HAHAHAHAHA! En ”punkt”! Man, Jag dödar mig) och såg till att när jag skrev om händelsehorisonten kontra det svarta hålet själv gjorde jag mig klar.
som jag sa ovan, till den kollapsande kärnan, fortsätter klockan att ticka, så den ser sig kollapsa hela vägen ner till en punkt, även om händelsehorisonten har någon ändlig storlek.
vad händer med kärnan? Den faktiska massan som kollapsade?
här ute vet vi aldrig säkert. Vi kan inte se in, och det kommer säkert inte att skicka någon information ut. Men vår matematik i dessa situationer är ganska bra, och vi kan åtminstone tillämpa dem på den kollapsande kärnan, även när den är mindre än händelsehorisonten.
det kommer att fortsätta att kollapsa, och tyngdkraften ökar. Mindre, mindre … och när jag var liten läste jag alltid att det kollapsar hela vägen ner till en geometrisk punkt, ett objekt utan dimensioner alls. Som verkligen bugged mig, som ni kan föreställa er … liksom det borde. För att det är fel.
vid någon tidpunkt kommer den kollapsande kärnan att vara mindre än en atom, mindre än en kärna, mindre än en elektron. Det kommer så småningom att nå en storlek som kallas Planck-längden, en enhet så liten att kvantmekaniken reglerar den med en järnhand. En Plancklängd är en slags kvantstorleksgräns: om ett objekt blir mindre än detta kan vi bokstavligen inte veta mycket om det med någon säkerhet. Den faktiska fysiken är komplicerad, men ganska mycket när den kollapsande kärnan träffar denna storlek, även om vi på något sätt kunde genomborra händelsehorisonten, kunde vi inte mäta sin verkliga storlek. Faktum är att termen ”riktig storlek” egentligen inte betyder någonting i denna typ av skala. Om universum i sig hindrar dig från att mäta det, kan du lika gärna säga att termen inte har någon mening.
och hur liten är en Planck längd? Teeny tiny: ca 10^-35 meter. Det är en hundra quintillionth storleken på en proton.
så om någon säger att ett svart hål har nollstorlek, kan du vara alla nördiga och tekniska och säga, inte riktigt, men meh. Nära nog.
de är sfärer. Och de är definitivt inte trattformade.
gravitationen du känner från ett objekt beror på två saker: objektets massa och ditt avstånd från det objektet. Det betyder att alla på ett visst avstånd från ett massivt objekt — säg en miljon kilometer — skulle känna samma tyngdkraft från det. Det avståndet definierar en sfär runt ett objekt: någon på den sfärens yta skulle känna samma gravitation från objektet i mitten.
storleken på en händelsehorisont för ett svart hål beror på gravitationen, så verkligen är händelsehorisonten en sfär som omger det svarta hålet. Från utsidan, om du kunde räkna ut hur man ser händelsehorisonten i första hand, skulle det se ut som en kolsvart sfär.
vissa människor tänker på svarta hål som cirklar, eller värre, trattformade. Tratten är en missuppfattning från människor som försöker förklara tyngdkraften som en böjning i rymden, och de förenklar saker genom att kollapsa 3D-utrymme i 2D; de säger att utrymmet är som ett lakan och föremål med massböjningsutrymme på samma sätt som ett massivt föremål (en bowlingboll, säg) kommer att varpa ett lakan. Men rymden är inte 2d, det är 3D (även 4D om du inkluderar tid) och så kan denna förklaring förvirra människor om den faktiska formen av ett svart hålhändelsehorisont.
jag har fått barn att fråga mig vad som händer om du närmar dig ett svart hål underifrån! De får ibland inte att svarta hål är sfärer, och det finns ingen under. Jag skyller på tratthistorien. Tyvärr är det den bästa analogi jag har sett, så vi sitter fast med det. Använd det med försiktighet.
svarta hål snurra!
det är typ av en udda tanke, men svarta hål kan snurra. Stjärnor roterar, och när kärnan kollapsar rotationshastigheterna, långt upp (den vanliga analogin är den för en skridskoåkare som tar i sina armar och ökar sin rotationshastighet). När stjärnans kärna blir mindre roterar den snabbare. Om det inte riktigt har tillräckligt med massa för att bli ett svart hål, blir saken pressad ihop för att bilda en neutronstjärna, en boll av neutroner några kilometer över. Vi har upptäckt hundratals av dessa objekt, och de tenderar att snurra mycket snabbt, ibland hundratals gånger per sekund!
detsamma gäller för ett svart hål. Även när saken krymper ner mindre än händelsehorisonten och förloras för det yttre universum för alltid, snurrar saken fortfarande. Det är inte helt klart vad det betyder om du försöker beräkna vad som händer med saken när det är inne i händelsehorisonten. Håller centrifugalkraften den från att kollapsa hela vägen ner till Plancklängden? Matematiken är djävulsk, men kan, och innebär att materia som faller in kommer att slå Materia inuti händelsehorisonten och försöker falla ytterligare men inte på grund av rotation, detta orsakar en massiv hög upp och några ganska spektakulära fyrverkerier … som vi aldrig kommer att se, för det är på andra sidan oändligheten. Bummer.
nära ett svart hål blir det konstigt.
det svarta hålets snurr kastar en apa i skiftnyckeln i händelsehorisonten. Svarta hål förvränger tyget i rymden själv, och om de snurrar blir den förvrängningen förvrängd. Utrymmet kan lindas runt ett svart hål-ungefär som tyget på ett ark som fastnar i en roterande borr.
detta skapar en region i rymden utanför händelsehorisonten som kallas ergosfären. Det är en oblate sfäroid, en platt bollform, och om du är utanför händelsehorisonten men inuti ergosfären, hittar du att du inte kan sitta still. Bokstavligen. Rymden dras förbi dig och bär dig med sig. Du kan enkelt röra sig i riktning mot rotationen av det svarta hålet, men om du försöker sväva, kan du inte. i själva verket, inne i ergosphere utrymmet rör sig snabbare än ljus! Materien kan inte röra sig så snabbt, men det visar sig, enligt Einstein, att rymden själv kan. Så om du vill sväva över ett svart hål måste du röra dig snabbare än ljuset i motsatt riktning. Du kan inte göra det, så du måste flytta med snurret, flyga iväg eller falla in. Det är dina val.
jag föreslår att jag flyger bort. Snabb. Eftersom …
närmar sig ett svart hål kan döda dig på roliga sätt. Och med kul, jag menar ohyggliga, skrämmande, och verkligen verkligen ookie.
visst, om du kommer för nära, plop! Du ramlar in. Men även om du håller avstånd är du fortfarande i trubbel …
gravitation beror på avstånd. Ju längre du är från ett objekt, desto svagare är dess gravitation. Så om du har ett långt objekt nära en massiv, kommer det långa objektet att känna en starkare gravitationskraft i den närmaste änden kontra en svagare kraft i den bortre änden! Denna förändring i tyngdkraften över avstånd kallas tidvattenkraften (vilket är lite felaktigt, det är inte riktigt en kraft, det är en differentiell kraft, och ja det är relaterat till varför vi har tidvatten på jorden från månen).
saken är att svarta hål kan vara små — en BH med en massa på cirka tre gånger solen har en händelsehorisont bara några kilometer över — och det betyder att du kan komma nära dem. Och det betyder i sin tur att tidvattenkraften du känner från en kan bli oroande stor.
låt oss säga att du faller fötterna först i en stjärnmassa BH. Det visar sig att när du närmar dig kan skillnaden i tyngdkraften mellan ditt huvud och dina fötter bli enorm. STOR. Kraften kan vara så stark att dina fötter ryckas bort från ditt huvud med hundratals miljoner gånger kraften i jordens gravitation. Du skulle sträckas i en lång, tunn strand och sedan strimlas.
astronomer kallar detta spaghettisering. Ewwww.
så att komma nära ett svart hål är farligt även om du inte faller in. Uppenbarligen finns det verkligen en tidvatten i människors angelägenheter.
svarta hål är inte alltid mörka.
saken är att svarta hål kan döda långt ifrån.
materia som faller i ett svart hål skulle sällan om någonsin bara falla rakt in och försvinna. Om det har lite sidledes rörelse kommer det att gå runt det svarta hålet. När mer materia faller in kan allt detta skräp staplas upp runt hålet. På grund av hur roterande föremål beter sig, kommer denna fråga att skapa en skiva av material som virvlar galet runt hålet, och eftersom hålets allvar förändras så snabbt med avstånd, kommer Materia nära in att kretsa mycket snabbare än saker längre ut. Denna fråga gnider bokstavligen ihop och genererar värme genom friktion. Det här kan bli riktigt varmt, som miljontals grader varmt. Materia som heta lyser med intensiv ljusstyrka … vilket innebär att nära det svarta hålet kan denna fråga vara allvarligt lysande.
värre, magnetiska och andra krafter kan fokusera två strålar av energi som går plöjning av polerna på skivan. Strålarna börjar strax utanför det svarta hålet, men kan ses i miljoner eller till och med miljarder ljusår borta.
de är ljusa.
faktum är att svarta hål som äter materia på detta sätt kan glöda så starkt att de blir de ljusaste kontinuerligt emitterande föremålen i universum! Vi kallar dessa aktiva svarta hål.
och som om svarta hål inte är farliga nog, blir saken så het innan den gör det sista steget att det rasande kan avge röntgenstrålar, högenergiformer av ljus (och strålarna kan avge ännu högre Energiljus än det). Så även om du parkerar ditt rymdskepp långt utanför händelsehorisonten för ett svart hål, om något annat faller in och blir strimlat, blir du belönad genom att stekas av motsvarande en gazillion tandprov.
jag kan ha nämnt detta: svarta hål är farliga. Bäst att hålla sig borta från dem.
svarta hål är inte alltid farliga.
med det sagt, låt mig ställa en fråga: om jag skulle ta solen och ersätta den med Folgers kristaller ett svart hål av exakt samma massa, vad skulle hända? Skulle jorden falla in, kastas bort, eller bara bana som det alltid gör?
de flesta tror att jorden skulle falla in, suger oupphörligt ner av det svarta hålets kraftfulla gravitation. Men kom ihåg att tyngdkraften du känner från ett objekt beror på objektets massa och ditt avstånd från det. Jag sa att det svarta hålet har samma massa som solen, minns du? Och jordens avstånd har inte förändrats. Så gravitationen vi skulle känna härifrån, 150 miljoner kilometer bort, skulle vara exakt densamma! Så jorden skulle kretsa kring solens svarta hål lika fint som det kretsar kring solen nu.
naturligtvis skulle vi frysa ihjäl. Du kan inte ha allt.
svarta hål kan bli stora.
F: Vad händer om två svarta hål i stjärnmassa kolliderar?
A: du får ett större svart hål.
du kan extrapolera därifrån. Svarta hål kan äta andra föremål, inklusive andra svarta hål, så att de kan växa. Vi tror att tidigt i universum, när galaxer bara bildades, kan materia som samlas i mitten av den växande galaxen kollapsa för att bilda ett mycket massivt svart hål. När mer materia faller in, förbrukar hålet girigt det och växer. Så småningom får du ett supermassivt svart hål, ett med miljoner eller till och med miljarder gånger solens massa.
kom dock ihåg att när materia faller i det kan det bli varmt. Det kan vara så varmt att trycket från själva ljuset kan blåsa bort material som är längre ut, lite som solvinden men i mycket större skala. Vindens styrka beror på många saker, inklusive massan av det svarta hålet; ju heftier hålet, desto blåsigare är vinden. Denna vind förhindrar att mer materia faller in, så det fungerar som en avstängningsventil för det allt mer girthy hålet.
inte bara det, men med tiden blir gasen och dammet runt det svarta hålet (ja, ganska långt ut, men fortfarande nära galaxens centrum) förvandlat till stjärnor. Gas kan falla i ett svart hål lättare än stjärnor (om gasmoln kolliderar huvudet-på deras rörelse i förhållande till det svarta hålet kan stoppa, så att de kan falla in; stjärnor är för små och för långt ifrån varandra för att detta ska hända). Så småningom slutar det svarta hålet att konsumera materia eftersom inget mer faller in i det. Det slutar växa, galaxen blir stabil och alla är glada.
faktum är att när vi tittar på universum idag ser vi att nästan alla stora galaxer har ett supermassivt svart hål i sitt hjärta. Även Vintergatan har ett svart hål i sin kärna med en massa på fyra miljoner gånger solens. Innan du börjar springa runt i cirklar och skrika, kom ihåg det här: 1) Det är långt borta, 26 000 ljusår (260 kvadriljoner Kilometer), 2) dess massa är fortfarande mycket liten jämfört med 200 miljarder solmassor i vår galax, och därför 3) Det kan inte riktigt skada oss. Om det inte börjar aktivt mata. Men det kan börja nån gång, om något faller in i det. Även om vi inte vet något som kan falla in i det snart. Men vi kanske saknar kall gas.
Hmmm.
hur som helst, kom ihåg detta också: även om svarta hål kan orsaka död och förstörelse i stor skala, hjälper de också galaxer själva att bildas! Så vi är skyldiga vår existens till dem.
svarta hål kan vara låg densitet.
av alla konstigheter om svarta hål är den här den konstigaste för mig.
som du kan förvänta dig blir händelsehorisonten för ett svart hål större när massan blir större. Det beror på att om du lägger till massa blir tyngdkraften starkare, vilket innebär att händelsehorisonten kommer att växa.
om du gör matten noggrant upptäcker du att händelsehorisonten växer linjärt med massan. Med andra ord, om du fördubblar det svarta hålets massa, fördubblas händelsehorisontens radie också.
det är konstigt! Varför?
volymen av en sfär beror på kuben i radien (tänk tillbaka till gymnasiet: volym = 4/3 X megapixlar X radier3). Dubbla radien, och volymen går upp med 2 x 2 x 2 = 8 gånger. Gör en sfärs radie 10 gånger större och volymen går upp med en faktor 10 x 10 x 10 = 1000.
så volymen går upp riktigt snabbt när du ökar storleken på en sfär.
föreställ dig nu att du har två sfärer av lera som är lika stora. Klumpa ihop dem. Är den resulterande sfären dubbelt så stor?
Nej! Du har fördubblat massan, men radien ökar bara lite. Eftersom volymen går som radie kubad, för att fördubbla radien på din slutliga lerkula, måste du klumpa ihop åtta av dem.
men det är annorlunda än ett svart hål. Dubbla massan, dubbla storleken på händelsehorisonten. Det har en udda implikation…
densitet är hur mycket massa som packas i en given volym. Håll storleken densamma och Lägg till massa, och densiteten går upp. Öka volymen, men håll massan densamma, och densiteten går ner. Uppfattat?
så nu ska vi titta på den genomsnittliga tätheten av materia inuti händelsehorisonten för det svarta hålet. Om jag tar två identiska svarta hål och kolliderar dem, dubblar händelsehorisontens storlek och massan fördubblas också. Men volymen har ökat med åtta gånger! Så densiteten minskar faktiskt och är 1/4 vad jag började med (två gånger massan och åtta gånger volymen ger dig 1/4 densiteten). Fortsätt göra det, och densiteten minskar.
ett vanligt svart hål — det vill säga ett med tre gånger solens massa — med en händelsehorisontradie på cirka 9 km. Det betyder att den har en enorm densitet, cirka två kvadriljoner gram per kubik cm (2 x 1015). Men dubbla massan, och densiteten sjunker med en faktor på fyra. Sätt i 10 gånger massan och densiteten sjunker med en faktor 100. En miljard solmassa svart hål (stort, men vi ser dem så stora i galaxcentra) skulle släppa den densiteten med en faktor 1 x 1018. Det skulle ge den en densitet på ungefär 1/1000 av ett gram per cc… och det är luftens densitet!
en miljard solmassa svart hål skulle ha en händelsehorisont 3 miljarder km i radie — ungefär avståndet från Neptun till solen.
se vart jag ska här? Om du skulle rep av solsystemet ut förbi Neptun, bifoga det i en jätte sfär och fylla den med luft, skulle det vara ett svart hål!
det är för mig överlägset det konstigaste med svarta hål. Visst, de förvränger rymden, förvränger tiden, spelar med vår känsla av vad som är verkligt och inte… men när de berör vardagen och skruvar med det, det är det som får mig.
jag tänkte först på detta vid en black hole-konferens i Stanford för några år tillbaka. Jag gick med den kända svarta hålexperten Roger Blandford när det slog mig. Jag gjorde en snabb mental beräkning för att se till att jag hade siffrorna rätt och relaterade till Roger att ett solsystem fullt av luft skulle vara ett svart hål. Han tänkte på det ett ögonblick och sa, ”ja, det låter ungefär rätt.”
och det, jag droogs, var en av de coolaste ögonblicken i mitt hålliv. Men att tänka på det gör fortfarande min hjärna skadad.
slutsats
Tja, vad kan jag säga? Svarta hål är konstiga.
som det händer så var det naturligtvis mycket mer som kunde sägas om dem. Vad sägs om maskhål? Vad sägs om hur de bildas? vad sägs om Hawking-strålning? Kan svarta hål helt avdunsta?
du kan hitta svar på dessa och andra frågor någon annanstans på webben (och även på den här bloggen); Jag kunde inte täcka allt på bara tio avsnitt! Men jag ska notera (shocker) det kapitel 5 i min bok Death from the Skies! pratar i detalj om hur de bildas och vad de kan göra om du kommer för nära dem. Senare kapitel talar också om det svarta hålet i kärnan i Vintergatan, och vad som kommer att hända med svarta hål länge från och med nu… bokstavligen, 1060, 1070, även en googol år från och med nu.
men även då är det inte det läskigaste med svarta hål. Jag satte nästan inte detta i inlägget, det är så över det översta sinnet-bedövande skrämmande. Men jag är forskare, och vi är skeptiker här, så vi kan ta det. Så jag presenterar för dig, det värsta med svarta hål av alla: