Какво е черна дупка?

Черните дупки може да са сред най -странните - и най -често неразбрани - обекти в нашата вселена. Останките от най -масивните звезди, те седят на границата на нашето разбиране за физиката. Те могат да съдържат няколко пъти масата на нашето слънце в пространство, не по -голямо от град. С толкова силна гравитация, че дори светлината не може да избяга от повърхностите им, черните дупки могат да ни научат за абсолютните крайности в космоса и самата структура на самото пространство.


Изпълнение на черна дупка от художника.

Изпълнението на художника с черна дупка изтегля газ от близка звезда. Кредит: НАСА E/PO, Държавен университет Sonoma, Aurore Simonnet

Концептуално черните дупки не са чак толкова сложни. Те не са нищо повече от изключително плътни ядра на някога масивни звезди. Повечето звезди, подобно на нашето слънце, прекратяват живота си мирно, като леко издухват външните си слоеве в космоса. Но звездите, превишаващи около осем пъти масата на слънцето, поемат по друг, по -драматичен път.


Тези звезди умират, когато вече не могат да сливат атомни ядра в ядрото си. Не че горивото им свършва само по себе си. По -скоро, след като звездата има ядро ​​от желязо, сливането на атоми, за да се получат нови елементи, всъщност струва енергията на звездата. Липса на източник на енергия, звездата не може да се издържи на безмилостната борба с гравитацията. Външните слоеве на звездата се сриват.

Тъй като няколко октилиона тона газ се спускат надолу, ядрото на звездата претърпява драстична промяна и става устойчиво на по -нататъшно компресиране. Набиващият се газ удря вече втвърденото ядро ​​и отскача. Бързото компресиране на газ предизвиква последната вълна от неконтролиран ядрен синтез. Звездата, която сега е извън баланс, избухва. Получената свръхнова може да засенчи цяла галактика и може да се види от цялата Вселена.

Остатък от свръхнова N49

Остатък от свръхнова, N49, разположен на 160 000 светлинни години от нас в Големия магелен облак-сателитна галактика на Млечния път. На около 5000 години свръхновата най -вероятно е оставила след себе си компактна неутронна звезда. Това комбинирано изображение показва рентгенови лъчи (лилаво), инфрачервено (червено) и видима (бяла, жълта) светлина. Рентгенова снимка: NASA/CXC/Caltech/S.Kulkarni et al .; Оптично: NASA/STScI/UIUC/Y.H.Chu & R.Williams et al .; IR: NASA/JPL-Caltech/R.Gehrz et al.

След следната свръхнова ядрото остава. Тази гъста супа от субатомни частици има няколко възможности в този момент. За звезда с по -малка маса от 20 слънца ядрото се държи заедно като неутронна звезда. Но за истинските звездни тежести ядрото се превръща в наистина екзотичен обект. Ражда се черна дупка.




Звездите процъфтяват в несигурен баланс. Гравитацията иска да събере звездата, вътрешният натиск иска да я разкъса. Най -драстичните промени се случват, когато една от тези сили надделее. Над масата на ядрото от няколко слънца няма известен източник на налягане, което да балансира гравитацията. Звездният остатък се срутва върху себе си.

Изстискването на цялата тази маса във все по -малък обем кара гравитацията на повърхността на мъртвата звезда да скочи нагоре. Увеличаването на гравитацията затруднява избягването на всичко. Вземете гравитацията достатъчно високо - около 30 хиляди пъти повече от това, което чувстваме тук на Земята - и ще се появят някои наистина странни странични ефекти.

Симулация на звезда, разкъсана от черна дупка.

Тази компютърна симулация показва звезда, гравитационно разкъсана от близката черна дупка. Дълги потоци от прегрял газ отбелязват последното пътуване на звездата. Надуващият се газ се натрупва в диск около черната дупка (горе вляво). Кредит: НАСА, С. Гезари (Университетът Джон Хопкинс) и Дж. Гилошон (Калифорнийски университет, Санта Круз)

Хвърлете топка във въздуха и в крайна сметка тя спира, обръща се и се връща към ръката ви. Хвърлете топката по -силно, тя отива по -високо - но все пак пада обратно. Хвърлете топката достатъчно силно и тя може да избяга от гравитацията на Земята. Тази точка на без връщане се нарича „скорост на бягство“. За всяка планета, звезда и комета е различно. Скоростта на бягство на Земята е около 40 000 км/ч. За слънцето това е над 2 милиона км/ч !. На много малък астероид прескачането твърде високо може случайно да ви изведе на орбита.


На черна дупка обаче скоростта на бягство е по -голяма от скоростта на светлината!

Тъй като нищо не може да върви толкова бързо, тогава нищо - дори и самата светлина - не може да набере достатъчно скорост, за да избяга от повърхността на черна дупка. Няма вид нарадиация- радиовълни, UV, инфрачервени - могат да излизат от черна дупка. Никаква информация изобщо не може да напусне. Вселената е завела завеса около всичко останало от тези звездни гиганти и затова не можем да ги изследваме директно. Всичко, което можем да направим, е предположение.

Самата черна дупка се определя от обем пространство, очертано от „хоризонт на събитията“. Хоризонтът на събитията невидимо маркира границата, където скоростта на бягство е точно равна на скоростта на светлината. Извън хоризонта вашият космически кораб има поне теоретичен шанс да се прибере у дома. Преминаването на тази линия ви поставя в еднопосочно пътуване до всичко, което седи вътре.

Изпълнение на изпълнител на рентгеново двоично: черна дупка, обикаляща около друга звезда

Един от начините, по който астрономите намират черни дупки, е намирането им на орбита около други звезди. Когато това се случи, газът се изсмуква от звездата и се спира по диск по хоризонта на събитията. Газът в диска се нагрява до милиони градуси и излъчва мощни рентгенови лъчи. Резултатът е това, което астрономът нарича „рентгенов двоичен“, показан тук в изпълнението на този художник. Кредит: ESA, НАСА и Феликс Мирабел


Това, което се намира в хоризонта на събитията, е пълна загадка. Има ли все още обект, седнал в центъра, някаква сянка на някога блестящо звездно ядро? Или нищо не спира гравитацията да смаже ядрата до една точка, вероятно дори да пробие тъканта на пространството-време? Нашата липса на разбиране за такава екстремна среда и булото на невежеството, което прикрива тези същества, дава възможност на въображението да се развихри. Визии за тунели към други измерения, паралелни вселени и дори далечни времена са широко разпространени. Но единственият честен отговор на въпроса „какво се крие отвъд хоризонта на събитията?“ е просто „не знаем!“

Изводът е, че черните дупки са погребението на изключително масивни звезди. След експлозия на свръхнова масивното ядро ​​е изоставено. При липса на подходяща балансираща сила, гравитацията привлича ядрото заедно до точка, в която скоростта на бягство надвишава скоростта на светлината. От този момент нататък никаква светлина - и никаква информация - не може да излъчва в космоса. Остава само една идеално черна празнота, където някога е стояла могъща звезда.