หลุมดำ: มันคืออะไร ก่อตัวอย่างไร และทฤษฎี

หลุมดำเป็นปรากฏการณ์เชิงพื้นที่ที่มีสัดส่วนสูงมาก (มักจะใหญ่กว่าดวงอาทิตย์) และมีมวล อัดแน่นมากส่งผลให้สนามโน้มถ่วงรุนแรงจนไม่มีอนุภาคหรือรังสี จัดการเพื่อออกไป

เนื่องจากแม้แต่แสงก็ยังถูกดูดเข้าไป การมีอยู่ของหลุมดำจึงเห็นได้จากผลของแรงโน้มถ่วงที่สังเกตได้ โดยรอบโดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรของวัตถุท้องฟ้าที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งเริ่มดึงดูดเข้าสู่รู สีดำ.

นอกจากนี้ นักดาราศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์อ้างว่าสามารถสังเกตหลุมดำได้เนื่องจากการเปล่งแสง

ภาพแรกของหลุมดำ

ภาพแรกของหลุมดำขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 พันล้านกิโลเมตรใน Galaxy M87 ห่างจากโลก 50 ล้านปีแสง รูปถ่าย: เหตุการณ์กล้องโทรทรรศน์แนวนอน

ภาพแรกของหลุมดำถูกเผยแพร่ในเดือนเมษายน 2019 ในการประชุมที่กรุงบรัสเซลส์ พบว่า หลังจากสังเกตและวิจัยมา 2 ปี โดยโครงการระดับนานาชาติที่ชื่อว่า Event Horizon Telescope (EHT) ซึ่งรวบรวมกล้องโทรทรรศน์วิทยุเกือบสิบตัวในโลก ตั้งแต่ยุโรปจนถึงขั้วโลก ภาคใต้.

ในภาพมีเพียงส่วนที่มองเห็นได้ของหลุมดำคือวงกลมสีทองที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า "ขอบฟ้าเหตุการณ์" (ขอบฟ้าเหตุการณ์ ในภาษาโปรตุเกส) หรือ "จุดที่ไม่หวนกลับ"

ที่ศูนย์กลางของขอบฟ้าเหตุการณ์ มีความหนาแน่นของมวลที่คำนวณไม่ได้ เรียกว่าภาวะเอกฐาน แรงโน้มถ่วงของจุดนี้รุนแรงมากจนไม่มีวัตถุรอบข้างหนีออกมาได้

ตามทฤษฎีแล้ว มีเพียงบางสิ่งที่เคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสงเท่านั้นที่สามารถต้านทานสนามโน้มถ่วงของหลุมดำได้ ด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถทราบได้อย่างแน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นกับเรื่องที่ถูกดูดกลืน

หลุมดำก่อตัวอย่างไร?

หลุมดำเกิดจากการยุบตัวของเทห์ฟากฟ้า ปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อความดันภายในของร่างกาย (โดยปกติคือดวงดาว) ไม่เพียงพอที่จะคงมวลของมันไว้ ดังนั้นเมื่อแกนกลางของดาวยุบตัวลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง วัตถุท้องฟ้าจะระเบิดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาในเหตุการณ์ที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวา.

ภาพตัวแทนของซุปเปอร์โนวา

ในช่วงซูเปอร์โนวา ในเสี้ยววินาที มวลทั้งหมดของดาวฤกษ์จะถูกบีบอัดเข้าไปในแกนกลางของมันขณะเคลื่อนที่ไปยัง ประมาณ 1/4 ของความเร็วแสง (อันที่จริง ขณะนี้องค์ประกอบที่หนักที่สุดในจักรวาลคือ สร้าง)

จากนั้นการระเบิดจะก่อให้เกิด ดาวนิวตรอน หรือถ้าดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่พอ ผลลัพธ์จะเป็นการก่อตัวของหลุมดำ ซึ่งปริมาณมวลเข้มข้นทางดาราศาสตร์ทำให้เกิดสนามโน้มถ่วงดังกล่าว ในนั้น ความเร็วหลบหนี (ความเร็วที่จำเป็นสำหรับอนุภาคหรือรังสีบางชนิดเพื่อต้านทานแรงดึงดูด) อย่างน้อยต้องมากกว่าความเร็วแสง

หลุมดำมีขนาดเท่าไหร่?

หลุมดำมีหลายขนาด หลุมดำดึกดำบรรพ์ที่เล็กที่สุดที่วิทยาศาสตร์รู้จักและเชื่อกันว่ามีขนาดเท่ากับอะตอม แต่มีมวลรวมของภูเขา

หลุมดำขนาดกลาง (ซึ่งมีมวลมากถึง 20 เท่าของมวลรวมของดวงอาทิตย์) เรียกว่าดาวฤกษ์ ในหมวดหมู่นี้ หลุมดำที่เล็กที่สุดที่ค้นพบคือ 3.8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดตามแคตตาล็อกเรียกว่ามวลมหาศาล ซึ่งมักพบที่ใจกลางกาแลคซี ตัวอย่างเช่น ที่ใจกลางทางช้างเผือกคือราศีธนู A ซึ่งเป็นหลุมดำที่มีมวลเท่ากับ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

จนถึงตอนนี้ หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักเรียกว่า S50014+81 ซึ่งมีมวลมากกว่าสี่หมื่นล้านเท่าของดวงอาทิตย์

ประเภทของหลุมดำ

นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมัน อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้กำหนดชุดสมมติฐานที่เกี่ยวข้องกับความโน้มถ่วงซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการเกิดขึ้นของฟิสิกส์สมัยใหม่ ไอเดียชุดนี้มีชื่อว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการสังเกตการณ์ที่แปลกใหม่หลายครั้งเกี่ยวกับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ

สำหรับไอน์สไตน์ หลุมดำเป็น "การผิดรูปในกาลอวกาศที่เกิดจากสสารเข้มข้นจำนวนมหาศาล" ทฤษฎีของเขาส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในพื้นที่และเปิดใช้งานการจำแนกประเภทของหลุมดำประเภทต่างๆ:

ชวาร์ซชิลด์ แบล็คโฮล

หลุมดำ Schwarzschild เป็นหลุมที่ไม่มีประจุไฟฟ้าและไม่มีโมเมนตัมเชิงมุมนั่นคือไม่หมุนรอบแกน

เคอร์ หลุมดำ

หลุมดำเคอร์ไม่มีประจุไฟฟ้าแต่หมุนรอบแกนของมัน

หลุมดำไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอม

หลุมดำ Reissner-Nordstrom มีประจุไฟฟ้าแต่ไม่หมุนรอบแกนของมัน

เคอร์-นิวแมน แบล็คโฮล

หลุมดำเคอร์-นิวแมนมีประจุไฟฟ้าและหมุนรอบแกนของพวกมัน

ตามทฤษฎีแล้ว หลุมดำทุกชนิดจะกลายเป็นหลุมดำ Schwarzschild (คงที่และไม่มีประจุ) เมื่อสูญเสียพลังงานเพียงพอและหยุดการหมุน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า กระบวนการเพนโรส. ในกรณีเช่นนี้ วิธีเดียวที่จะแยกความแตกต่างของหลุมดำ Schwarzschild หนึ่งจากที่อื่นคือการวัดมวลของมัน

โครงสร้างของหลุมดำ

หลุมดำนั้นมองไม่เห็นเนื่องจากสนามโน้มถ่วงของพวกมันไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้แม้แต่กับแสง ดังนั้น หลุมดำจึงมีลักษณะเป็นพื้นผิวมืดซึ่งไม่มีอะไรสะท้อนออกมา และไม่มีหลักฐานว่าเกิดอะไรขึ้นกับธาตุที่ถูกดูดเข้าไป อย่างไรก็ตาม เริ่มต้นจากการสังเกตผลกระทบที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อม วิทยาศาสตร์ได้จัดโครงสร้างหลุมดำให้เป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ ภาวะเอกฐาน และ เออร์โกสเฟียร์

ขอบฟ้าเหตุการณ์

ขอบเขตของสนามโน้มถ่วงของหลุมดำที่ไม่มีสิ่งใดถูกสังเกตเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์หรือ จุดที่ไม่มีวันหวนกลับ.

การแสดงภาพกราฟิกของขอบฟ้าเหตุการณ์ซึ่งจัดทำโดย NASA ซึ่งมีการสังเกตทรงกลมที่สมบูรณ์แบบซึ่งไม่มีการปล่อยแสงออกมา

แม้จะเป็นเพียงผลของแรงโน้มถ่วง แต่ขอบฟ้าเหตุการณ์ถือเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของหลุมดำเพราะเป็นจุดเริ่มต้นของพื้นที่ที่สังเกตได้ของปรากฏการณ์

รูปร่างของมันเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นทรงกลมอย่างสมบูรณ์ในหลุมดำคงที่และเอียงในหลุมดำที่หมุนอยู่

เพราะ การขยายเวลาโน้มถ่วงอิทธิพลที่มวลของหลุมดำกระทำต่อกาลอวกาศทำให้ขอบฟ้าเหตุการณ์ แม้จะอยู่นอกขอบเขตของมัน ก็มีผลดังต่อไปนี้:

• สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล นาฬิกาใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์จะเคลื่อนที่ช้ากว่านาฬิกาที่อยู่ไกลออกไป ดังนั้น วัตถุใดๆ ที่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำดูเหมือนจะช้าลงจนดูเหมือนเป็นอัมพาตทันเวลา
• สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล วัตถุที่เข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์จะมีสีแดง ซึ่งเป็นผลมาจาก ปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เรียกว่า redshift เนื่องจากความถี่ของแสงลดลงโดยสนามโน้มถ่วงของรู สีดำ.
• จากมุมมองของวัตถุ เวลาจะผ่านไปอย่างรวดเร็วสำหรับทั้งจักรวาล ในขณะที่สำหรับคุณ เวลาจะผ่านไปตามปกติ

ภาวะเอกฐาน

จุดศูนย์กลางของหลุมดำ ซึ่งมวลของดาวฤกษ์กลายเป็นกระจุกตัวอนันต์ เรียกว่าภาวะภาวะเอกฐาน ซึ่งไม่ค่อยมีใครรู้จัก ตามทฤษฎีแล้ว ภาวะภาวะเอกฐานประกอบด้วยมวลรวมของดาวฤกษ์ที่ยุบตัว บวกกับมวลของวัตถุทั้งหมดที่ดูดกลืนโดยสนามโน้มถ่วง แต่มันไม่มีปริมาตรหรือพื้นผิว

เออร์โกสเฟียร์

เออร์โกสเฟียร์เป็นโซนที่ล้อมรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ในหลุมดำที่กำลังหมุนอยู่ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่เทห์ฟากฟ้าจะยังคงนิ่งอยู่

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ วัตถุที่หมุนอยู่มักจะลากกาลอวกาศเข้ามาใกล้มัน ในหลุมดำที่กำลังหมุน เอฟเฟกต์นี้รุนแรงมากจนต้องใช้วัตถุท้องฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วแสงเพื่อให้อยู่นิ่ง

สิ่งสำคัญคือต้องไม่สับสนระหว่างเอฟเฟกต์เออร์โกสเฟียร์กับเอฟเฟกต์ขอบฟ้าเหตุการณ์ เออร์โกสเฟียร์ไม่ดึงดูดวัตถุด้วยสนามโน้มถ่วง ดังนั้น สิ่งใดก็ตามที่สัมผัสกับมันจะถูกแทนที่ในกาลอวกาศและจะถูกดึงดูดก็ต่อเมื่อข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เท่านั้น

ทฤษฎีหลุมดำของ Stephen Hawking

Stephen Hawking เป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์และนักจักรวาลวิทยาที่ทรงอิทธิพลที่สุดในศตวรรษที่ 20 และ 21 ในบรรดาผลงานมากมายของเขา ฮอว์คิงได้แก้ไขหลายทฤษฎีบทที่ไอน์สไตน์เสนอว่า มีส่วนทำให้ทฤษฎีที่ว่าจักรวาลเริ่มต้นในภาวะเอกฐาน ตอกย้ำ โทร ทฤษฎีบิกแบง.

ฮอว์คิงยังเชื่อด้วยว่าหลุมดำไม่ได้เป็นสีดำสนิท แต่ปล่อยรังสีความร้อนออกมาเล็กน้อย เอฟเฟกต์นี้เป็นที่รู้จักในวิชาฟิสิกส์ว่า รังสีฮอว์คิง. ทฤษฎีนี้ทำนายว่าหลุมดำจะสูญเสียมวลเมื่อมีการแผ่รังสีและในกระบวนการที่ช้ามากจะหดตัวจนกว่าจะหายไป

ดูด้วย:

• ทฤษฎีสัมพัทธภาพ
• แรงโน้มถ่วง
• บิ๊กแบง