Musta aukko on alueellinen ilmiö, jolla on erittäin suuret osuudet (yleensä aurinkoa suurempi) ja massa erittäin kompakti, jolloin syntyy niin voimakas painovoimakenttä, ettei siinä ole hiukkasia tai säteilyä onnistuu pääsemään ulos.
Koska tasainen valo imeytyy sisään, mustan aukon läsnäolo todistetaan havaittavilla painovoiman seurauksilla. sen ympäristössä, erityisesti läheisten taivaankappaleiden kiertoradamuutosten kautta, joita reikä alkaa vetää puoleensa musta.
Lisäksi tähtitieteilijät ja tutkijat väittävät, että musta aukko voi olla havaittavissa sen valonsäteilyn takia.
Ensimmäinen kuva mustasta aukosta
Ensimmäinen kuva 40 miljardin kilometrin halkaisijaltaan mustasta aukosta, joka sijaitsee Galaxy M87: ssä, 50 miljoonan valovuoden päässä Maasta. Kuva: Horizont Telescope -tapahtuma.
Ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkaistiin huhtikuussa 2019 Brysselissä pidetyssä konferenssissa. Kahden vuoden tarkkailun ja tutkimuksen jälkeen sen löysi kansainvälinen tapahtuma nimeltä Tapahtuma Horizon Telescope (EHT), joka kokoaa yhteen lähes kymmenkunta radioteleskooppia maailmassa Euroopasta napaan Etelään.
Kuvassa mustan aukon ainoa näkyvä osa on kultainen ympyrä, jota tähtitieteilijät kutsuvat "tapahtumahorisontti" (tapahtumahorisontti portugaliksi) tai "ei paluuta".
Tapahtumahorisontin keskellä on arvaamaton massatiheys, jota kutsutaan singulariteetiksi. Tämän pisteen painovoima on niin voimakas, ettei yksikään ympäröivä esine pääse pakenemaan.
Teoriassa vain valon nopeutta nopeammin liikkuva voisi vastustaa mustan aukon painovoimakenttää. Tästä syystä ei ole mahdollista tietää varmasti, mitä tapahtuu imettävälle aineelle.
Kuinka musta aukko muodostuu?
Mustia aukkoja muodostuu taivaankappaleiden painovoiman romahduksista. Nämä ilmiöt tapahtuvat, kun ruumiin (yleensä tähtien) sisäinen paine ei riitä ylläpitämään omaa massaansa. Joten kun tähden ydin romahtaa painovoiman takia, taivaankappale räjähtää vapauttaen valtavia määriä energiaa tapahtumassa, joka tunnetaan nimellä supernova.
Edustava kuva supernovasta.
Supernovan aikana sekunnin murto-osassa koko tähti massa puristuu sen ytimeen, kun se siirtyy noin 1/4 valon nopeudesta (itse asiassa juuri tällä hetkellä universumin raskaimmat alkuaineet ovat luotu).
Sitten räjähdys aiheuttaa a neutronitähti tai, jos tähti on riittävän suuri, seurauksena on mustan aukon muodostuminen, jonka tähtitieteellinen määrä väkevää massaa luo edellä mainitun painovoimakentän. Siinä poistumisnopeuden (nopeuden, jota tarvitaan jonkin hiukkaselle tai säteilylle vetovoiman vastustamiseksi) on oltava vähintään suurempi kuin valon nopeus.
Kuinka suuri on musta aukko?
Mustia reikiä on erikokoisia. Pienimpiä tiedettä kutsutaan alkuperäisiksi mustiksi aukkoiksi ja niiden uskotaan olevan atomin kokoisia, mutta niiden kokonaismassan kanssa vuoren.
Keskikokoisia mustia aukkoja (joiden massa on enintään 20 kertaa auringon kokonaismassa) kutsutaan tähdiksi. Tässä luokassa pienin löydetty musta aukko on 3,8 kertaa aurinkomassa.
Suurimpia luetteloituja mustia aukkoja kutsutaan supermassiiviksi, joita esiintyy usein galaksien keskellä. Esimerkiksi Linnunradan keskellä on Jousimies A, musta aukko, jonka massa vastaa 4 miljoonaa kertaa auringon massaa.
Toistaiseksi suurin tunnettu musta aukko on nimeltään S50014 + 81, jonka massa on neljäkymmentä miljardia kertaa auringon massa.
Mustien aukkojen tyypit
Saksalainen teoreettinen fyysikko Albert Einstein muotoili joukon gravitaatioon liittyviä hypoteeseja, jotka toimivat perustana nykyaikaisen fysiikan syntymiselle. Tämä ideoiden joukko nimettiin Yleinen suhteellisuusteoria, jossa tutkija teki useita uraauurtavia havaintoja mustien aukkojen gravitaatiovaikutuksista.
Einsteinille mustat reiät ovat "avaruusajan muodonmuutoksia, jotka johtuvat valtavasta määrästä väkevää ainetta". Hänen teoriansa edistivät nopeaa edistymistä alueella ja mahdollistivat erityyppisten mustien aukkojen luokittelun:
Schwarzschildin musta reikä
Schwarzschildin mustat aukot ovat sellaisia, joilla ei ole sähkövarausta ja joilla ei myöskään ole kulmamomenttia, toisin sanoen ne eivät pyöri akselinsa ympäri.
Kerrin musta aukko
Kerrin mustissa rei'issä ei ole sähkövarausta, mutta ne pyörivät akselinsa ympäri.
Reissner-Nordstromin musta aukko
Reissner-Nordstromin mustilla aukoilla on sähkövaraus, mutta ne eivät pyöri akselinsa ympäri.
Kerr-Newman musta reikä
Kerr-Newmanin mustat aukot kantavat sähkövarausta ja pyörivät akselinsa ympäri.
Teoriassa kaikenlaisista mustista aukoista tulee lopulta Schwarzschild (staattisia ja lataamattomia) mustia aukkoja, kun ne menettävät tarpeeksi energiaa ja lopettavat pyörimisen. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä Penrose-prosessi. Tällaisissa tapauksissa ainoa tapa erottaa yksi Schwarzschildin musta aukko toisesta on mittaamalla sen massa.
Mustan aukon rakenne
Mustat aukot ovat näkymättömiä, koska niiden painovoimakenttä on väistämätön edes valolle. Täten mustalla aukolla on tumma pinta, josta mikään ei heijastu, eikä ole todisteita siitä, mitä tapahtuu siihen imeytyville alkioille. Alkaen kuitenkin ympäristöstä aiheutuvien vaikutusten havainnoinnista, tiede rakentaa mustat aukot tapahtumahorisontiksi, singulariteetiksi ja ergosfääriksi.
Tapahtumahorisontti
Mustan aukon painovoimakentän rajaa, josta ei havaita mitään, kutsutaan tapahtumahorisontiksi tai piste, josta ei ole paluuta.
Graafinen esitys NASA: n tarjoamasta tapahtumahorisontista, jossa havaitaan täydellinen pallo, josta ei tule valoa.
Huolimatta siitä, että tapahtumahorisontti on itse asiassa vain gravitaatiovaikutuksia, sitä pidetään osana mustan aukon rakennetta, koska se on ilmiön havaittavan alueen alku.
Sen muodon tiedetään olevan täysin pallomainen staattisissa mustissa rei'issä ja vino pyörivissä mustissa aukoissa.
Koska painovoima-ajan laajentuminen, mustan aukon massan vaikutus aika-aikaan aiheuttaa tapahtumahorisontilla, jopa sen alueen ulkopuolella, seuraavat vaikutukset:
- Kaukaiselle tarkkailijalle tapahtumahorisontin lähellä oleva kello liikkuu hitaammin kuin kauempana. Siten mikä tahansa mustaan aukkoon imettävä esine näyttää hidastuvan, kunnes se näyttää olevan halvaantunut ajoissa.
- Kaukana olevalle tarkkailijalle tapahtumahorisonttia lähestyvä esine saisi punertavan sävyn, seurauksena fyysinen ilmiö, joka tunnetaan nimellä punasiirtymä, koska reiän painovoimakenttä vähentää valon taajuutta musta.
- Kohteen näkökulmasta aika kulisi kiihtyneellä nopeudella koko maailmankaikkeudelle, kun taas sinulle kului aika normaalisti.
Singulariteetti
Mustan aukon keskipistettä, jossa tähtimassasta on tullut äärettömän keskittynyt, kutsutaan singulariteetiksi, josta tiedetään vähän. Teoriassa singulariteetti sisältää romahtaneen tähden kokonaismassan plus kaikkien painovoimakentän imemien kappaleiden massan, mutta sillä ei ole tilavuutta tai pintaa.
Ergosphere
Ergosphere on vyöhyke, joka ympäröi tapahtumahorisonttia pyörivissä mustissa aukoissa, jossa taivaankappaleen on mahdotonta pysyä paikallaan.
Myös Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mikä tahansa pyörivä esine pyrkii vetämään avaruusaikaa lähelle sitä. Pyörivässä mustassa aukossa tämä vaikutus on niin voimakas, että se vaatii taivaankappaleen liikkumaan vastakkaiseen suuntaan valon nopeutta suuremmalla nopeudella pysyäkseen paikallaan.
On tärkeää, ettei ergosphere-vaikutuksia sekoiteta tapahtumahorisontti-ilmiöihin. Ergosphere ei houkuttele esineitä painovoimakentällä. Siksi kaikki sen kanssa kosketuksiin joutuva siirtyy vain aika-aika-alueella ja vetää puoleensa vain, jos se ylittää tapahtumahorisontin.
Stephen Hawkingin mustien reikien teoriat
Stephen Hawking oli yksi vaikuttavimmista fyysikoista ja kosmologeista 1900- ja 2100-luvuilla. Lukuisten lausuntojensa joukossa Hawking ratkaisi useita Einsteinin ehdottamia lauseita myötävaikuttivat siihen teoriaan, että maailmankaikkeus alkoi yksinäisyydellä, mikä vahvisti edelleen puhelu Big Bang Theory.
Hawking uskoi myös, että mustat aukot eivät ole täysin mustia, mutta lähettävät pieniä määriä lämpösäteilyä. Tämä vaikutus tunnettiin fysiikassa nimellä Hawking-säteily. Tämä teoria ennustaa, että mustat aukot menettäisivät massaa vapautuneen säteilyn myötä ja kutistuisivat erittäin hitaassa prosessissa, kunnes ne hävisivät.
Katso myös:
- Suhteellisuusteoria
- Painovoima
- alkuräjähdys
