Μια μαύρη τρύπα είναι ένα χωρικό φαινόμενο εξαιρετικά υψηλών αναλογιών (συνήθως μεγαλύτερο από τον ήλιο) και με μάζα εξαιρετικά συμπαγές, με αποτέλεσμα ένα βαρυτικό πεδίο τόσο ισχυρό ώστε να μην υπάρχουν σωματίδια ή ακτινοβολία καταφέρνει να βγει.
Δεδομένου ότι ακόμη και το φως απορροφάται, η παρουσία μιας μαύρης τρύπας αποδεικνύεται από παρατηρήσιμες βαρυτικές συνέπειες. στα περίχωρά του, ειδικά από τις αλλαγές τροχιάς των κοντινών ουράνιων σωμάτων, που αρχίζουν να προσελκύονται στην τρύπα μαύρος.
Επιπλέον, οι αστρονόμοι και οι επιστήμονες ισχυρίζονται ότι μια μαύρη τρύπα μπορεί να παρατηρηθεί λόγω της εκπομπής του φωτός.
Πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας
Πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας διαμέτρου 40 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων που βρίσκεται στο Galaxy M87, 50 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Φωτογραφία: Εκδήλωση τηλεσκοπίου Horizont.
Η πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας κυκλοφόρησε τον Απρίλιο του 2019 σε συνέδριο στις Βρυξέλλες. Βρέθηκε, μετά από 2 χρόνια παρατήρησης και έρευνας, από το διεθνές έργο που ονομάζεται Event Το τηλεσκόπιο Horizon (EHT), το οποίο συγκεντρώνει σχεδόν δώδεκα ραδιοτηλεσκόπια στον κόσμο, από την Ευρώπη έως τον Πόλο Νότος.
Στην εικόνα, το μόνο ορατό μέρος της μαύρης τρύπας είναι ο χρυσός κύκλος, που ονομάζεται αστρονόμοι "ορίζοντας γεγονότων" (ορίζοντας γεγονότων στα Πορτογαλικά) ή "σημείο χωρίς επιστροφή".
Στο κέντρο του ορίζοντα του γεγονότος, υπάρχει μια ανυπολόγιστη πυκνότητα μάζας, που ονομάζεται μοναδικότητα. Η βαρύτητα αυτού του σημείου είναι τόσο ισχυρή ώστε κανένα περιβάλλοντα αντικείμενο δεν μπορεί να διαφύγει.
Θεωρητικά, μόνο κάτι που κινείται πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός θα μπορούσε να αντισταθεί στο βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας. Γι 'αυτό το λόγο, δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε με βεβαιότητα τι συμβαίνει στο θέμα που απορροφάται.
Πώς σχηματίζεται μια μαύρη τρύπα;
Οι μαύρες τρύπες σχηματίζονται από βαρυτικές καταρρεύσεις ουράνιων σωμάτων. Αυτά τα φαινόμενα συμβαίνουν όταν η εσωτερική πίεση ενός σώματος (συνήθως αστέρια) είναι ανεπαρκής για να διατηρήσει τη δική του μάζα. Έτσι, όταν ο πυρήνας του αστεριού καταρρέει λόγω της βαρύτητας, το ουράνιο σώμα εκρήγνυται απελευθερώνοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας σε ένα γεγονός γνωστό ως σουπερνόβα.
Αντιπροσωπευτική εικόνα ενός σουπερνόβα.
Κατά τη διάρκεια μιας σουπερνόβα, σε κλάσμα του δευτερολέπτου, ολόκληρη η μάζα του αστεριού συμπιέζεται στον πυρήνα του καθώς κινείται προς περίπου το 1/4 της ταχύτητας του φωτός (στην πραγματικότητα, αυτή τη στιγμή είναι τα βαρύτερα στοιχεία του σύμπαντος δημιουργήθηκε).
Τότε η έκρηξη θα προκαλέσει α αστέρι νετρονίων ή, εάν το αστέρι είναι αρκετά μεγάλο, το αποτέλεσμα θα είναι ο σχηματισμός μιας μαύρης τρύπας, της οποίας η αστρονομική ποσότητα συμπυκνωμένης μάζας δημιουργεί το προαναφερθέν βαρυτικό πεδίο. Σε αυτήν, η ταχύτητα διαφυγής (η ταχύτητα που απαιτείται για κάποιο σωματίδιο ή ακτινοβολία για να αντισταθεί στην έλξη) πρέπει, τουλάχιστον, να είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός.
Πόσο μεγάλη είναι μια μαύρη τρύπα;
Οι μαύρες τρύπες διατίθενται σε διαφορετικά μεγέθη. Οι μικρότεροι γνωστοί στην επιστήμη ονομάζονται αρχέγονες μαύρες τρύπες και πιστεύεται ότι είναι το μέγεθος ενός ατόμου αλλά με τη συνολική μάζα ενός βουνού.
Οι μεσαίες μαύρες τρύπες (των οποίων η μάζα είναι έως και 20 φορές η συνολική μάζα του ήλιου) ονομάζονται αστρικές. Σε αυτήν την κατηγορία, η μικρότερη μαύρη τρύπα που ανακαλύφθηκε είναι 3,8 φορές η ηλιακή μάζα.
Οι μεγαλύτερες καταγεγραμμένες μαύρες τρύπες ονομάζονται υπερμεγέθη, που βρίσκονται συχνά στο κέντρο των γαλαξιών. Για παράδειγμα, στο κέντρο του Γαλαξία βρίσκεται ο Τοξότης Α, μια μαύρη τρύπα με μάζα ισοδύναμη με 4 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.
Μέχρι στιγμής, η μεγαλύτερη γνωστή μαύρη τρύπα ονομάζεται S50014 + 81, της οποίας η μάζα είναι σαράντα δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.
Τύποι μαύρων οπών
Ο Γερμανός θεωρητικός φυσικός Albert Einstein διατύπωσε ένα σύνολο υποθέσεων που σχετίζονται με τη βαρύτητα που χρησίμευσε ως βάση για την εμφάνιση της σύγχρονης φυσικής. Αυτό το σύνολο ιδεών ονομάστηκε Γενική θεωρία σχετικότητας, στις οποίες ο επιστήμονας έκανε πολλές πρωτοποριακές παρατηρήσεις σχετικά με τα βαρυτικά αποτελέσματα των μαύρων οπών.
Για τον Αϊνστάιν, οι μαύρες τρύπες είναι «παραμορφώσεις στο χωροχρόνο που προκαλούνται από τη μαζική ποσότητα συμπυκνωμένης ύλης». Οι θεωρίες του προώθησαν την ταχεία πρόοδο στην περιοχή και επέτρεψαν την ταξινόμηση διαφορετικών τύπων μαύρων οπών:
Μαύρη τρύπα Schwarzschild
Οι μαύρες τρύπες Schwarzschild είναι αυτές που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και επίσης δεν έχουν γωνιακή ορμή, δηλαδή δεν περιστρέφονται γύρω από τον άξονα τους.
Μαύρη τρύπα Kerr
Οι μαύρες τρύπες Kerr δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο αλλά περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους.
Reissner-Nordstrom μαύρη τρύπα
Οι μαύρες τρύπες Reissner-Nordstrom φέρουν ηλεκτρικό φορτίο αλλά δεν περιστρέφονται γύρω από τον άξονα τους.
Μαύρη τρύπα Kerr-Newman
Οι μαύρες τρύπες Kerr-Newman φέρουν ηλεκτρικό φορτίο και περιστρέφονται γύρω από τον άξονα τους.
Θεωρητικά, όλα τα είδη μαύρων οπών γίνονται τελικά μαύρες τρύπες Schwarzschild (στατικές και μη φορτισμένες) όταν χάνουν αρκετή ενέργεια και σταματούν να περιστρέφονται. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως Διαδικασία Penrose. Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο μόνος τρόπος για να διαφοροποιηθεί μια μαύρη τρύπα Schwarzschild από την άλλη είναι μετρώντας τη μάζα της.
Δομή μιας μαύρης τρύπας
Οι μαύρες τρύπες είναι αόρατες αφού το βαρυτικό τους πεδίο είναι αναπόφευκτη ακόμη και για το φως. Έτσι, μια μαύρη τρύπα έχει την εμφάνιση μιας σκοτεινής επιφάνειας από την οποία τίποτα δεν αντανακλάται και δεν υπάρχουν ενδείξεις για το τι συμβαίνει στα στοιχεία που απορροφούνται σε αυτήν. Ωστόσο, ξεκινώντας από την παρατήρηση των επιπτώσεων που προκαλούν στο περιβάλλον τους, η επιστήμη μετατρέπει τις μαύρες τρύπες σε ορίζοντα γεγονότων, μοναδικότητα και εργογκόσφαιρα.
Ορίζοντας γεγονότων
Το όριο του βαρυτικού πεδίου της μαύρης τρύπας από το οποίο δεν παρατηρείται τίποτα ονομάζεται ορίζοντας γεγονότος ή σημείο χωρίς επιστροφή.
Γραφική αναπαράσταση ενός ορίζοντα γεγονότων, που παρέχεται από τη NASA, στον οποίο παρατηρείται μια τέλεια σφαίρα από την οποία δεν εκπέμπεται φως.
Παρόλο που, στην πραγματικότητα, είναι βαρυτικές συνέπειες, ο ορίζοντας του γεγονότος θεωρείται μέρος της δομής μιας μαύρης τρύπας, επειδή είναι η αρχή της παρατηρήσιμης περιοχής του φαινομένου.
Το σχήμα του είναι γνωστό ότι είναι τέλεια σφαιρικό στις στατικές μαύρες τρύπες και λοξό στις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες.
Επειδή διαστολή του βαρυτικού χρόνου, η επίδραση που ασκεί η μάζα της μαύρης τρύπας στο χωροχρόνο προκαλεί στον ορίζοντα του συμβάντος, ακόμη και εκτός του εύρους του, να έχει τα ακόλουθα αποτελέσματα:
- Σε έναν απομακρυσμένο παρατηρητή, ένα ρολόι κοντά στον ορίζοντα του γεγονότος θα κινείται πιο αργά από το ένα πιο μακριά. Έτσι, κάθε αντικείμενο που απορροφάται στη μαύρη τρύπα φαίνεται να επιβραδύνεται έως ότου φαίνεται να παραλύεται στο χρόνο.
- Για έναν μακρινό παρατηρητή, το αντικείμενο που πλησιάζει τον ορίζοντα του συμβάντος θα είχε μια κοκκινωπή απόχρωση, συνέπεια του φυσικό φαινόμενο γνωστό ως redshift, καθώς η συχνότητα του φωτός μειώνεται από το βαρυτικό πεδίο της τρύπας μαύρος.
- Από την άποψη του αντικειμένου, ο χρόνος θα περνούσε με επιταχυνόμενο ρυθμό για ολόκληρο το σύμπαν, ενώ για εσάς, ο χρόνος θα περνούσε κανονικά.
Μοναδικότητα
Το κεντρικό σημείο μιας μαύρης τρύπας, όπου η μάζα του αστεριού έχει συγκεντρωθεί απείρως, ονομάζεται μοναδικότητα, για την οποία λίγα είναι γνωστά. Θεωρητικά, η μοναδικότητα περιέχει τη συνολική μάζα του καταρρεσμένου αστεριού, συν τη μάζα όλων των σωμάτων που απορροφούνται από το βαρυτικό πεδίο, αλλά δεν έχει όγκο ή επιφάνεια.
Εργόσφαιρα
Η εργοσφαιρία είναι μια ζώνη που περιβάλλει τον ορίζοντα του γεγονότος σε περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες, στην οποία είναι αδύνατο για ένα ουράνιο σώμα να παραμείνει στάσιμο.
Επίσης, σύμφωνα με τη σχετικότητα του Αϊνστάιν, κάθε περιστρεφόμενο αντικείμενο τείνει να σύρει τον χωροχρόνο κοντά του. Σε μια περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα, αυτό το φαινόμενο είναι τόσο ισχυρό που θα απαιτούσε ένα ουράνιο σώμα να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός για να παραμείνει στάσιμη.
Είναι σημαντικό να μην συγχέετε τα αποτελέσματα της εργοσφαίρας με τα αποτελέσματα του ορίζοντα γεγονότων. Η εργοσφαιρία δεν προσελκύει αντικείμενα με το βαρυτικό πεδίο. Έτσι, οτιδήποτε έρχεται σε επαφή με αυτό θα μετατοπιστεί μόνο στο χωροχρόνο και θα προσελκύεται μόνο εάν διασχίσει τον ορίζοντα του γεγονότος.
Θεωρίες για τις Μαύρες Τρύπες του Stephen Hawking
Ο Stephen Hawking ήταν ένας από τους πιο σημαντικούς φυσικούς και κοσμολόγους του 20ου και 21ου αιώνα. Μεταξύ των πολυάριθμων συνεισφορών του, ο Χόκινγκ έλυσε αρκετά θεωρήματα που πρότεινε ο Αϊνστάιν ότι συνέβαλε στη θεωρία ότι το σύμπαν ξεκίνησε σε μια μοναδικότητα, ενισχύοντας περαιτέρω το κλήση Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.
Ο Hawking πίστευε επίσης ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς μαύρες αλλά εκπέμπουν μικρές ποσότητες θερμικής ακτινοβολίας. Αυτό το αποτέλεσμα ήταν γνωστό στη φυσική ως Ακτινοβολία Hawking. Αυτή η θεωρία προβλέπει ότι οι μαύρες τρύπες θα χάσουν τη μάζα με την απελευθέρωση της ακτινοβολίας και, σε μια εξαιρετικά αργή διαδικασία, θα συρρικνωθούν μέχρι να εξαφανιστούν.
Δείτε επίσης:
- Θεωρία της σχετικότητας
- Βαρύτητα
- μεγάλη έκρηξη
