الفلك

ما مدى صغر حجم الجسم الذي يجب أن تسحقه حتى يتحول إلى ثقب أسود؟

ما مدى صغر حجم الجسم الذي يجب أن تسحقه حتى يتحول إلى ثقب أسود؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كنت أتساءل كم كان عليك سحق جسم ما ليصبح ثقبًا أسود. علمت مؤخرًا أن أي شيء يمكن أن يتحول إلى ثقب أسود (حتى أنت) إذا تم سحقه صغيرًا بما يكفي ، على سبيل المثال ، سيتعين على شمسنا أن تُسحق إلى حجم مانهاتن لتصبح ثقبًا أسود (وفقًا لمقطع فيديو رأيته). لقد أجريت القليل من البحث واكتشفت أنه يجب سحق شيء ما إلى نصف قطر شوارزشيلد مما يعني أنه يجب سحق كل كتلة هذه الأجسام في نصف قطر هذا الجسم. لكن إذا قلتم أن تسحقوا الشمس إلى حجم مانهاتن ، فهذا أصغر بكثير من نصف قطر الشمس الفعلي. لذلك لم أحصل على إجابة واضحة حقًا وأنا في حيرة من أمري ، شكرًا للتوضيح =)


حسنًا ، لم أكن سأجيب ولكن الجوابين الأخريين خاطئان ، أو على الأقل غير مكتملين. إذا كنت ترغب في إنشاء ثقب أسود من جسم ذي حجم نجمي ، فلا داعي لضغطه إلى أصغر نصف قطر شوارزشيلد (على الرغم من أن ذلك سيعمل بالتأكيد وسيكون بالتأكيد الحل للأجسام الأصغر ذات الجاذبية الذاتية الضئيلة. ). بدلاً من ذلك ، تحتاج فقط إلى ضغطها إلى حجم لا يمكن أن تدعمه أي معادلة معقولة للحالة ضد المزيد من الانهيار الجاذبي. اتضح أن هذا أكبر إلى حد ما من نصف قطر Schwarzschild ، وبالتالي فإن الكثافة المطلوبة أقل بكثير. مزيد من التفاصيل أدناه.

يوجد نصف قطر أكبر من نصف قطر شوارزشيلد حيث لا يمكن دعم النجم النيوتروني ، أو مادة الكوارك ، مهما كانت معادلته للحالة ، ضد الانهيار.

هناك حدود تفرضها السببية والنسبية العامة على بنية النجوم المدمجة. في "الثقوب السوداء والأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية" بقلم شابيرو وتيوكولسكي ، ص.260-261 ، يظهر ، تقريبًا ، أنه حتى لو تصلبت معادلة الحالة إلى النقطة التي تساوي فيها سرعة الصوت سرعة الضوء ، ذلك $ (GM / Rc ^ 2) <0.405 $.

نصف قطر Schwarzschild هو $ R_s = 2GM / c ^ 2 $ وبالتالي $ R> 1.23 R_s $ لتحقيق الاستقرار. تم الوصول إلى هذا الحد لنجم نيوتروني بقيمة $ M simeq 3.5 M _ { odot} $. تشير المعالجة الأكثر دقة في Lattimer (2013) إلى أن النجم النيوتروني المضغوط بحد أقصى له $ R geq 1.41R_s $.

إذا كانت معادلة الحالة أكثر ليونة ، فسيحدث الانهيار عند كتل أصغر ، وبكثافة أعلى ولكن عند مضاعف مماثل قدره $ R_s $.

وبالتالي ليس من الضروري ضغط المادة داخل $ R_s $ لتكوين ثقب أسود.

تُظهر الصورة أدناه (من Demorest وآخرون 2010) العلاقات بين الكتلة والنصف لمجموعة متنوعة من معادلات الحالة. تشير الحدود الموجودة في أعلى يسار الرسم البياني إلى الحدود التي تفرضها (بشكل أكثر صرامة) سرعة الصوت باعتبارها سرعة الضوء (تسمى "السببية" والتي تعطي أنصاف أقطار أكبر قليلاً من النتيجة التقريبية لـ Shapiro & Teukolsky) ثم في أعلى اليسار ، الحد الذي تم تمييزه بـ "GR" يتطابق مع نصف قطر Schwarzschild. تصبح النجوم النيوترونية غير مستقرة حيث تبلغ ذروة منحنيات نصف قطرها ذروتها ، لذلك دائمًا ما تكون النجوم النيوترونية المستقرة أكبر بكثير من $ R_s $ عند كل الكتل.


حسنًا ، يجب سحقها (ستكون الكلمة المضغوطة أفضل لاستخدامها هنا) أسفل نصف قطر Schwarzschild.

نصف قطر Schwarzschild هو نصف قطر الجسم الذي تكون فيه سرعة الهروب هي سرعة الضوء من ذلك الجسم. عندما يصبح هذا الشعاع أصغر ، حتى الضوء لا يستطيع الهروب منه ، هناك ثقبك الأسود!


$$ r_s = frac {2GM} {c ^ 2} $$ - هنا:

$ r_s $ هو نصف قطر Schwarzschild؛
$ G $ هو ثابت الجاذبية.
كتلة الجسم $ M $؛
$ c $ هي سرعة الضوء في الفراغ.

ثابت التناسب $ 2G / c ^ 2 $ تقريبًا 1.48 × 1027 م / كجم


لماذا لا تتحول الشمس إلى ثقب أسود

التقط مرصد ديناميكيات الطاقة الشمسية التابع لوكالة ناسا هذا المنظر لثوران بركاني شمسي في 21 أبريل 2015. Credit: NASA / SDO

هل ستتحول الشمس إلى ثقب أسود؟ لا ، إنها صغيرة جدًا لذلك!

يجب أن تكون كتلة الشمس أكبر بحوالي 20 مرة لإنهاء حياتها كثقب أسود. يمكن للنجوم التي تولد بهذا الحجم أو أكبر أن تنفجر إلى مستعر أعظم في نهاية حياتها قبل أن تنهار مرة أخرى في ثقب أسود ، وهو جسم ذو جاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب. بعض النجوم الأصغر تكون كبيرة بما يكفي لتتحول إلى مستعر أعظم ، لكنها أصغر من أن تصبح ثقوبًا سوداء - سوف تنهار إلى هياكل فائقة الكثافة تسمى النجوم النيوترونية بعد انفجارها على شكل مستعر أعظم. لكن الشمس ليست كبيرة بما يكفي لهذا المصير أيضًا: فهي تمتلك فقط حوالي عُشر الكتلة اللازمة لتصبح في النهاية نجمًا نيوترونيًا.

إذن ماذا سيحدث للشمس؟ في حوالي 6 مليارات سنة سينتهي به الأمر كقزم أبيض - بقايا صغيرة كثيفة من نجم يتوهج من الحرارة المتبقية. ستبدأ العملية بعد حوالي 5 مليارات سنة من الآن عندما يبدأ وقود الشمس في النفاد.

مثل معظم النجوم ، خلال المرحلة الرئيسية من حياتها ، تخلق الشمس الطاقة عن طريق دمج ذرات الهيدروجين في قلبها. في غضون حوالي 5 مليارات سنة ، ستبدأ الشمس في نفاد الهيدروجين الموجود في نواتها لتندمج ، وستبدأ في الانهيار. سيسمح هذا للشمس بالبدء في دمج العناصر الأثقل في اللب ، جنبًا إلى جنب مع اندماج الهيدروجين في غلاف ملفوف حول اللب. عندما يحدث هذا ، سترتفع درجة حرارة الشمس ، وستتوسع الطبقات الخارجية من الغلاف الجوي للشمس بعيدًا إلى الفضاء بحيث تبتلع الأرض. (هذا من شأنه أن يجعل الأرض غير صالحة للسكنى للحياة كما نعرفها - على الرغم من أن العوامل الأخرى في تطور الكواكب قد تجعلها غير صالحة للسكن قبل تلك النقطة.) هذه هي مرحلة العملاق الأحمر ، وسوف تستمر حوالي مليار سنة ، قبل أن تنهار الشمس إلى قزم ابيض.


رحلة عبر ثقب دودي

تدور أحداث فيلم "Interstellar" في نقطة ضبابية في المستقبل غير البعيد ، عندما يهدد فشل المحاصيل العالمي البشرية بالانقراض. لذا فإن مجموعة صغيرة من المستكشفين ، بقيادة طيار تحول إلى مزارع يُدعى كوبر (ماكونهي) ، تنطلق للبحث عن كوكب خارج المجموعة الشمسية يمكن أن يكون بمثابة موطن جديد للجنس البشري.

يتم مساعدة رواد الفضاء في سعيهم من خلال ثقب دودي و [مدش] نوع من النفق الذي يسمح بالسفر السريع نسبيًا بين أجزاء متفرقة من الكون و [مدش] والتي ظهرت بشكل غامض بالقرب من زحل قبل بضع سنوات. يقود كوبر سفينة الرواد ، المسماة Endurance ، عبر الثقب الدودي إلى جزء غني بالكوكب من مجرة ​​بعيدة.

على الرغم من أن الثقوب الدودية هي إحدى قصص الخيال العلمي المفضلة ، فلا أحد يعرف ما إذا كانت موجودة بالفعل أم لا. وفقًا لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، فهي ممكنة ، لكن لم يتم رصد أي علامة عليها على الإطلاق.

علاوة على ذلك ، يقول العلماء ، من المحتمل أن ينهار الثقب الدودي بسرعة ما لم يتم دعمه مفتوحًا باستخدام نوع من مادة الطاقة السلبية. لذا فإن الثقب الدودي الكبير في "Interstellar" سيتطلب بعض الأعمال الهندسية الجادة والغريبة و [مدش] لكنني سأتوقف هنا ، لذلك لا أعطي الكثير عن الفيلم.

قال ثورن إن فريق التأثيرات المرئية "Interstellar" استخدم المعادلات التي قدمها Thorne للتوصل إلى تمثيلهم للثقب الدودي ، وتصوير مدخله على أنه كرة متلألئة و mdash تمامًا كما سيبدو على الأرجح في الحياة الواقعية.

قال ثورن مؤخرًا في مقطع فيديو علمي بعنوان Interstellar أنتجته مجلة Wired: "لم يتم تصوير الثقوب الدودية أو الثقوب السوداء في أي فيلم من أفلام هوليوود بالطريقة التي ستظهر بها بالفعل". "هذه هي المرة الأولى التي يبدأ فيها التصوير مع معادلات النسبية العامة لأينشتاين."


إلى أين تقود الثقوب السوداء؟

إذاً ها أنت ذا ، على وشك القفز إلى ملف ثقب أسود. ما الذي يمكن أن ينتظره يجب أن تنجو بطريقة ما - رغم كل الصعاب؟ إلى أين سينتهي بك المطاف وما هي الحكايات المثيرة التي ستكون قادرًا على الاستمتاع بها إذا تمكنت من الصعود في طريق العودة؟

الجواب البسيط على كل هذه الأسئلة ، كما يشرح البروفيسور ريتشارد ماسي ، "من يدري؟" بصفته زميلًا باحثًا في الجمعية الملكية في معهد علم الكونيات الحسابي بجامعة دورهام ، يدرك ماسي تمامًا أن ألغاز الثقوب السوداء عميقة. وقال: "السقوط في أفق الحدث هو حرفياً المرور وراء الحجاب - بمجرد أن يتخطاه شخص ما ، لا يمكن لأحد أن يرسل رسالة مرة أخرى". "سوف تمزقهم الجاذبية الهائلة إلى أشلاء ، لذلك أشك في أن أي شخص يسقط من خلالها سيصل إلى أي مكان."

إذا كان هذا يبدو وكأنه إجابة مخيبة للآمال - ومؤلمة - فمن المتوقع. منذ أن اعتبرت النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين أنها تنبأت بالثقوب السوداء من خلال ربط الزمكان بفعل الجاذبية ، فقد عُرف أن الثقوب السوداء تنتج عن موت نجم هائل تاركًا وراءه نواة صغيرة كثيفة. بافتراض أن هذا اللب يحتوي على أكثر من ثلاثة أضعاف كتلة الشمس تقريبًا ، فإن الجاذبية ستطغى على نفسها لدرجة أنها ستقع على نفسها في نقطة واحدة ، أو تفرد ، يُفهم على أنه نواة الثقب الأسود ذات الكثافة اللانهائية.

سيكون للثقب الأسود الناتج غير القابل للسكن قوة جاذبية قوية بحيث لا يمكن للضوء أن يتجنبها. لذا ، إذا وجدت نفسك بعد ذلك في أفق الحدث - النقطة التي يمكن للضوء والمادة أن يمررا إلى الداخل فقط ، كما اقترح عالم الفلك الألماني كارل شوارزشيلد - فلا مفر. وفقًا لماسي ، فإن قوى المد والجزر تقلل من جسمك إلى خيوط من الذرات (أو `` السباغيتيكيشن '' ، كما هو معروف أيضًا) وينتهي الأمر في النهاية بسحق الجسم عند التفرد. تبدو فكرة أنه يمكنك الخروج في مكان ما - ربما على الجانب الآخر - خيالية تمامًا.

ماذا عن الثقوب الدودية؟

أو هو؟ على مر السنين بحث العلماء في احتمال وجود ثقوب سوداء الثقوب الدودية إلى المجرات الأخرى. قد تكون حتى ، كما اقترح البعض ، طريقًا إلى عالم آخر.

كانت هذه الفكرة مطروحة منذ بعض الوقت: تعاون أينشتاين مع ناثان روزن لوضع نظرية للجسور التي تربط نقطتين مختلفتين في الزمكان في عام 1935. لكنها اكتسبت بعضًا من الأرض الجديدة في الثمانينيات عندما كان الفيزيائي كيب ثورن - أحد أعظم العالم أثار الخبراء البارزون في الآثار الفيزيائية الفلكية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين مناقشة حول ما إذا كان يمكن للأشياء أن تنتقل عبرها فعليًا.

قال ماسي: "قراءة كتاب كيب ثورن الشهير عن الثقوب الدودية هو أول ما جعلني متحمسًا للفيزياء عندما كنت طفلاً". لكن يبدو أنه من غير المحتمل وجود الثقوب الدودية.

في الواقع ، كتب ثورن ، الذي قدم مشورته الخبيرة لفريق إنتاج فيلم هوليوود Interstellar: "لا نرى أي أشياء في كوننا يمكن أن تتحول إلى ثقوب دودية مع تقدم العمر" ، في كتابه "The Science of Interstellar" (WW Norton) والشركة ، 2014). أخبر ثورن موقع ProfoundSpace.org أن الرحلات عبر هذه الأنفاق النظرية ستظل على الأرجح خيالًا علميًا ، وبالتأكيد لا يوجد دليل قاطع على أن الثقب الأسود يمكن أن يسمح بمثل هذا المرور.

لكن المشكلة هي أننا لا نستطيع الاقتراب لنرى بأنفسنا. لماذا ، لا يمكننا حتى التقاط صور لأي شيء يحدث داخل الثقب الأسود - إذا كان الضوء لا يستطيع الهروب من ضخامة الجاذبية، فلا يمكن للكاميرا التقاط أي شيء. كما هو الحال ، تشير النظرية إلى أن أي شيء يتجاوز أفق الحدث يُضاف ببساطة إلى الثقب الأسود ، والأكثر من ذلك ، نظرًا لأن الوقت يتشوه بالقرب من هذه الحدود ، سيبدو أن هذا يحدث ببطء شديد ، لذلك لن تكون الإجابات سريعة. قادم، صريح، يظهر.

قال دوجلاس فينكباينر ، أستاذ علم الفلك والفيزياء بجامعة هارفارد: "أعتقد أن القصة المعتادة هي أنها تؤدي إلى نهاية الزمن". "لن يرى أي مراقب بعيد صديقه رائد الفضاء يسقط في الثقب الأسود. سيصبح أكثر احمرارًا وخافتًا كلما اقتربوا من أفق الحدث [نتيجة لانزياح الجاذبية الأحمر]. لكن الصديق يقع في الداخل مباشرة ، إلى مكان ما وراء "إلى الأبد". أيا كان معناه."

ربما يؤدي الثقب الأسود إلى ثقب أبيض

بالتأكيد ، إذا أدت الثقوب السوداء إلى جزء آخر من مجرة ​​أو إلى كون آخر ، فستحتاج إلى وجود شيء معاكس لها على الجانب الآخر. يمكن أن يكون هذا ثقب أبيض - نظرية طرحها عالم الكونيات الروسي إيغور نوفيكوف عام 1964؟ اقترح نوفيكوف أن الثقب الأسود يرتبط بالثقب الأبيض الموجود في الماضي. على عكس الثقب الأسود ، سيسمح الثقب الأبيض للضوء والمادة بالخروج ، لكن الضوء والمادة لن يكونا قادرين على الدخول.

واصل العلماء استكشاف العلاقة المحتملة بين الثقوب السوداء والبيضاء. في دراستهم لعام 2014 المنشورة في المجلة المراجعة الجسدية دادعى الفيزيائيان كارلو روفيلي وهال إم. هاغارد أن "هناك مقياسًا كلاسيكيًا يرضي معادلات أينشتاين خارج منطقة زمكان محدودة حيث تنهار المادة في ثقب أسود ثم تنبثق من ثقب مؤقت." بعبارة أخرى ، كل المواد التي ابتلعتها الثقوب السوداء يمكن أن تنفث ، وقد تتحول الثقوب السوداء إلى ثقوب بيضاء عندما تموت.

بعيدًا عن تدمير المعلومات التي يمتصها ، سيتوقف انهيار الثقب الأسود. وبدلاً من ذلك ، ستواجه ارتدادًا كميًا ، مما يسمح للمعلومات بالهروب. إذا كان هذا هو الحال ، فسيتم إلقاء بعض الضوء على اقتراح قدمه عالم الكونيات والفيزياء النظرية السابق بجامعة كامبريدج. ستيفن هوكينج الذي اكتشف في سبعينيات القرن الماضي إمكانية إصدار الثقوب السوداء للجسيمات والإشعاع - الحرارة الحرارية - نتيجة للتقلبات الكمومية.

قال فينكباينر: "قال هوكينغ إن الثقب الأسود لا يدوم إلى الأبد". حسب هوكينج أن الإشعاع سيؤدي إلى فقدان الثقب الأسود للطاقة ، والتقلص والاختفاء ، كما هو موصوف في بحثه عام 1976 المنشور في المراجعة الجسدية د. بالنظر إلى ادعاءاته بأن الإشعاع المنبعث سيكون عشوائيًا ولا يحتوي على معلومات حول ما وقع فيه ، فإن الثقب الأسود ، عند انفجاره ، سيمحو الكثير من المعلومات.

هذا يعني أن فكرة هوكينغ كانت متعارضة مع نظرية الكم ، التي تقول إن المعلومات لا يمكن تدميرها. تنص الفيزياء على صعوبة العثور على المعلومات لأنه في حالة فقدها ، يصبح من المستحيل معرفة الماضي أو المستقبل. أدت فكرة هوكينج إلى "مفارقة معلومات الثقب الأسود" وقد حيرت العلماء لفترة طويلة. قال البعض إن هوكينغ كان ببساطة مخطئًا ، حتى أن الرجل نفسه أعلن أنه ارتكب خطأ خلال مؤتمر علمي في دبلن عام 2004.

إذن ، هل نعود إلى مفهوم الثقوب السوداء التي تنبعث منها المعلومات المحفوظة وترميها مرة أخرى عبر ثقب أبيض؟ يمكن. في دراستهم المنشورة عام 2013 في مجلة Physical Review Letters ، طبق خورخي بولين من جامعة ولاية لويزيانا ورودولفو جامبيني في جامعة الجمهورية في مونتيفيديو ، أوروغواي ، الجاذبية الكمومية الحلقية على ثقب أسود ووجدوا أن الجاذبية زادت باتجاه اللب لكنها تنخفض وتهبط. كل ما كان يدخل في منطقة أخرى من الكون. أعطت النتائج مصداقية إضافية لفكرة عمل الثقوب السوداء كبوابة. في هذه الدراسة ، لا توجد التفردات ، وبالتالي فهي لا تشكل حاجزًا منيعًا ينتهي به الأمر إلى سحق كل ما يصادفه. هذا يعني أيضًا أن المعلومات لا تختفي.

ربما لا تذهب الثقوب السوداء إلى أي مكان

ومع ذلك ، فإن الفيزيائيين أحمد المهيري ودونالد مارولف وجوزيف بولشينسكي وجيمس سولي ما زالوا يعتقدون أن هوكينغ كان من الممكن أن يكون على شيء. لقد عملوا على نظرية أصبحت تُعرف باسم جدار حماية AMPS ، أو فرضية جدار حماية الثقب الأسود. من خلال حساباتهم ، يمكن لميكانيكا الكم عمليا تحويل أفق الحدث إلى جدار عملاق من النار وأي شيء يتلامس سيحترق في لحظة. بهذا المعنى ، لا تؤدي الثقوب السوداء إلى أي مكان لأنه لا يمكن لأي شيء أن يدخل إلى الداخل.

هذا ، مع ذلك ، ينتهك نظرية النسبية العامة لأينشتاين. لا ينبغي أن يشعر الشخص الذي يعبر أفق الحدث بأي مشقة كبيرة لأن الجسم سيكون في حالة سقوط حر ، وبناءً على مبدأ التكافؤ ، لن يشعر هذا الشيء - أو الشخص - بالتأثيرات الشديدة للجاذبية. يمكن أن تتبع قوانين الفيزياء الموجودة في أي مكان آخر في الكون ، ولكن حتى لو لم تتعارض مع مبدأ أينشتاين ، فإنها ستقوض نظرية المجال الكمومي أو تشير إلى إمكانية فقد المعلومات.

الثقب الأسود من عدم اليقين

خطوة للأمام هوكينج مرة أخرى. في عام 2014 ، نشر أ دراسة حيث تجنب وجود أفق الحدث - بمعنى أنه لا يوجد شيء يحترق - قائلاً إن الانهيار التثاقلي سينتج "أفقًا واضحًا" بدلاً من ذلك.

هذا الأفق من شأنه أن يعلق أشعة الضوء التي تحاول الابتعاد عن قلب الثقب الأسود ، وسوف يستمر "لفترة من الزمن". في إعادة تفكيره، الآفاق الظاهرة تحتفظ مؤقتًا بالمادة والطاقة قبل إذابتها وإطلاقها لاحقًا أسفل الخط. يتناسب هذا التفسير بشكل أفضل مع نظرية الكم - التي تقول أنه لا يمكن تدمير المعلومات - وإذا تم إثباتها على الإطلاق ، فإنها تشير إلى أن أي شيء يمكن أن يفلت من الثقب الأسود.

ذهب هوكينج إلى حد القول بأن الثقوب السوداء قد لا تكون موجودة أصلاً. كتب: "يجب إعادة تعريف الثقوب السوداء على أنها حالات مرتبطة ثابتة في مجال الجاذبية". لن يكون هناك تفرد ، وبينما يتحرك المجال الظاهر إلى الداخل بسبب الجاذبية ، فإنه لن يصل أبدًا إلى المركز ويتم توحيده داخل كتلة كثيفة.

ومع ذلك ، فإن أي شيء ينبعث لن يكون في شكل المعلومات التي يتم ابتلاعها. سيكون من المستحيل معرفة ما حدث من خلال النظر إلى ما سيحدث ، والذي يسبب مشاكل خاصة به - ليس أقلها ، على سبيل المثال ، للإنسان الذي وجد نفسه في مثل هذا الموقف المثير للقلق. لن يشعروا بنفس الشيء مرة أخرى!

شيء واحد مؤكد ، هذا اللغز المحدد سوف يبتلع الكثير من الساعات العلمية لفترة طويلة قادمة. اقترح روفيلي وفرانشيسكا فيدوتو مؤخرًا أن مكونًا من المادة المظلمة يمكن أن يتشكل من بقايا الثقوب السوداء المتبخرة ، وورقة هوكينغ حول الثقوب السوداء والشعر الناعم كانت صدر في 2018، ويصف كيف تُترك الجسيمات عديمة الطاقة حول نقطة اللاعودة ، أفق الحدث - وهي فكرة تشير إلى أن المعلومات لا تضيع بل يتم التقاطها.

طار هذا في وجه نظرية اللا شعر التي عبّر عنها الفيزيائي جون أرشيبالد ويلر وعمل على أساس أن ثقبين أسودين لا يمكن تمييزهما للمراقب لأنه لن يتم حفظ أي من الشحنات الزائفة لفيزياء الجسيمات الخاصة. إنها فكرة جعلت العلماء يتحدثون ، ولكن هناك طريقة ما يجب قطعها قبل أن يُنظر إليها على أنها إجابة عن المكان الذي تؤدي إليه الثقوب السوداء. إذا تمكنا فقط من إيجاد طريقة للقفز إلى واحد.


الثقوب السوداء مقابل الثقوب الدودية

اكتشفت مراصد الموجات الثقالية أكثر من 20 اصطدامًا عملاقًا بين الأجسام شديدة الكثافة والأجسام الضخمة مثل الثقوب السوداء و النجوم النيوترونية. ومع ذلك ، قد توجد أشياء أكثر غرابة من الناحية النظرية ، مثل الثقوب الدودية ، والتي ينبغي أن ينتج عن تصادماتها أيضًا إشارات جاذبية يمكن للعلماء اكتشافها.

الثقوب الدودية هي أنفاق في الزمكان والتي ، من الناحية النظرية ، يمكن أن تسمح بالسفر إلى أي مكان في المكان والزمان ، أو حتى إلى كون آخر. تسمح نظرية النسبية العامة لأينشتاين بإمكانية وجود ثقوب دودية ، على الرغم من أن وجودها بالفعل هو أمر آخر.

من حيث المبدأ ، جميع الثقوب الدودية غير مستقرة ، وتغلق لحظة فتحها. الطريقة الوحيدة لإبقائها مفتوحة وقابلة للعبور هي باستخدام شكل غريب من المادة مع ما يسمى بـ "الكتلة السلبية". هذه المادة الغريبة لها خصائص غريبة ، بما في ذلك الطيران بعيدًا عن مجال الجاذبية القياسي بدلاً من السقوط نحوه مثل المادة العادية. لا أحد يعرف ما إذا كانت هذه المادة الغريبة موجودة بالفعل.

من نواح كثيرة ، يشبه الثقب الدودي الثقب الأسود. كلا النوعين من الأجسام كثيفة بشكل غير عادي ولهما قوة جاذبية قوية للأشياء ذات الحجم. يتمثل الاختلاف الرئيسي في أنه لا يمكن لأي جسم أن يعود نظريًا للخارج بعد دخوله أفق حدث الثقب الأسود و mdash الحد الأدنى حيث تتجاوز السرعة المطلوبة للهروب من جاذبية الثقب الأسود سرعة الضوء و [مدش] بينما يمكن لأي جسم يدخل ثقبًا دوديًا أن يعكس مساره نظريًا.

بافتراض وجود ثقوب دودية ، قام العلماء بالتحقيق في إشارات الجاذبية المتولدة عندما يدور الثقب الأسود حول ثقب دودي لورقة جديدة، والتي لم تخضع بعد لمراجعة الأقران. استكشف الباحثون أيضًا ما يمكن أن يحدث عندما يدخل الثقب الأسود أحد فم الثقب الدودي ، ويخرج من الفم الآخر للثقب الدودي إلى نقطة أخرى في الزمكان ، ثم & mdash بافتراض أن الثقب الأسود والثقب الدودي مرتبطان جاذبيًا ببعضهما البعض & mdash يتراجع في الثقب الدودي ويخرج من الجانب الآخر.


رحلة إلى الثقب الأسود

حقيقة أن العلماء لا يمكنهم رؤية الثقوب السوداء داخلها لم تمنعهم من محاولة حساب شكلها. أحد الأشياء الأولى التي أظهرتها هذه الحسابات هو أن تكوين a ثقب أسود يطمس تقريبًا جميع المعلومات حول النجم الذي انهار ليشكله. يحب الفيزيائيون أن يقولوا & # 8220 ثقب أسود ليس لديهم شعر ، & # 8221 مما يعني أنه لا شيء يخرج من الثقب الأسود لإعطائنا أدلة حول نوع النجم الذي أنتجه أو المواد التي سقطت بداخله. المعلومات الوحيدة التي يمكن أن يكشفها الثقب الأسود عن نفسه هي كتلته ودورانه وما إذا كان يحتوي على أي شحنة كهربائية.

ماذا يحدث لنواة النجم المنهارة التي كونت الثقب الأسود؟ تتنبأ أفضل حساباتنا بأن المادة ستستمر في الانهيار تحت ثقل وزنها ، وتشكل ما لا نهاية له سكوزين نقطة - مكان حجمه صفر وكثافة لانهائية - التي نعطي لها الاسم التفرد. عند التفرد ، لم يعد الزمكان من الوجود. قوانين الفيزياء كما نعرفها تنهار. ليس لدينا حتى الآن الفهم المادي أو الأدوات الرياضية لوصف التفرد نفسه ، أو حتى إذا حدثت التفردات بالفعل. من الخارج ، ومع ذلك ، يمكن وصف البنية الكاملة للثقب الأسود الأساسي (الذي لا يدور) على أنها حالة فردية محاطة بأفق الحدث. بالمقارنة مع البشر ، فإن الثقوب السوداء هي في الحقيقة أشياء بسيطة للغاية.

حسب العلماء أيضًا ماذا سيحدث إذا سقط رائد فضاء في ثقب أسود. لنأخذ موقع مراقبة على مسافة طويلة وآمنة بعيدًا عن أفق الحدث ونشاهد رائد الفضاء هذا يسقط باتجاهه. في البداية يبتعد عنا ، يتحرك بشكل أسرع ، كما لو كان يقترب من أي نجم ضخم. ومع ذلك ، عندما يقترب من أفق الحدث للثقب الأسود ، تتغير الأشياء. سيجعل مجال الجاذبية القوي حول الثقب الأسود ساعاته تعمل بشكل أبطأ ، عند رؤيتها من منظورنا الخارجي.

إذا كان ، وهو يقترب من أفق الحدث ، يرسل إشارة مرة واحدة في الثانية وفقًا لساعته ، فسنرى أن التباعد بين إشاراته يزداد أطول وأطول حتى يصبح طويلًا بشكل غير محدود عندما يصل إلى أفق الحدث. (بالتذكير بمناقشتنا حول الانزياح الأحمر الجاذبي ، يمكننا القول أنه إذا استخدم رائد الفضاء الضوء الأزرق لإرسال إشاراته كل ثانية ، فسنرى الضوء يزداد احمرارًا وأكثر احمرارًا حتى يصبح طول موجته غير محدود تقريبًا). يقترب من اللانهاية ، سيظهر لنا أن رائد الفضاء يقترب ببطء من التوقف ، متجمدًا في الوقت المناسب في أفق الحدث.

وبنفس الطريقة ، ستظهر أيضًا كل المواد التي تسقط في الثقب الأسود لمراقب خارجي لتتوقف عند أفق الحدث ، مجمدة في مكانها وتستغرق وقتًا غير محدود لتقع من خلاله. لكن لا تعتقد أن سقوط المادة في الثقب الأسود سيكون بالتالي مرئيًا بسهولة في أفق الحدث. سيؤدي الانزياح الأحمر الهائل إلى صعوبة مراقبة أي إشعاع من ضحايا الثقب الأسود & # 8220frozen & # 8221.

ومع ذلك ، هذه هي الطريقة التي نرى بها الأشياء بعيدًا عن الثقب الأسود. بالنسبة لرائد الفضاء ، يمر وقته بمعدله الطبيعي ويسقط مباشرة عبر أفق الحدث في الثقب الأسود. (تذكر أن هذا الأفق ليس حاجزًا ماديًا ، ولكنه فقط منطقة في الفضاء حيث يجعل انحناء الزمكان الهروب أمرًا مستحيلًا).

قد تواجه مشكلة في فكرة أن لديك (تشاهد من بعيد) ورائد الفضاء (الوقوع) أفكارًا مختلفة حول ما حدث. هذا هو سبب تسمية أفكار أينشتاين حول المكان والزمان بنظريات النسبية. يعتمد ما يقيسه كل مراقب عن العالم على (يتعلق) بإطاره المرجعي. الراصد في الجاذبية القوية يقيس الزمان والمكان بشكل مختلف عن الراصد الذي يجلس في الجاذبية الأضعف. عندما اقترح أينشتاين هذه الأفكار ، واجه العديد من العلماء أيضًا صعوبة في فكرة أن اثنين من وجهات النظر المختلفة للحدث نفسه يمكن أن تكون صحيحة ، كل واحدة في & # 8220world ، & # 8221 وحاولوا العثور على خطأ في الحسابات. لم تكن هناك أخطاء: فنحن ورائد الفضاء سنراه يسقط في ثقب أسود بطريقة مختلفة تمامًا.

بالنسبة لرائد الفضاء ، ليس هناك عودة للوراء. بمجرد دخول أفق الحدث ، سيبقى رائد الفضاء ، إلى جانب أي إشارات من جهاز الإرسال اللاسلكي الخاص به ، مختبئًا إلى الأبد من الكون في الخارج. ومع ذلك ، لن يكون لديه وقت طويل (من وجهة نظره) ليشعر بالأسف على نفسه عندما يقترب من الثقب الأسود. افترض أنه يسقط قدميه أولاً. قوة الجاذبية التي تمارسها التفرد على قدميه أكبر من قوة الجاذبية على رأسه ، لذلك سوف يتمدد قليلاً. لأن التفرد هو نقطة ، فإن الجانب الأيسر من جسده سينجذب قليلاً نحو اليمين ، واليمين قليلاً نحو اليسار ، مما يجعل كل جانب أقرب إلى التفرد. لذلك ، سيتم ضغط رائد الفضاء قليلاً في اتجاه واحد وامتداده في الاتجاه الآخر. يحب بعض العلماء تسمية عملية التمدد والتضييق هذه السباغيتيتيف. تعتمد النقطة التي يصبح فيها رائد الفضاء مشدودًا لدرجة أنه يموت على حجم الثقب الأسود. بالنسبة للثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها مليارات المرات من كتلة الشمس ، مثل تلك الموجودة في مراكز المجرات ، يصبح التعرق السباغي مهمًا فقط بعد مرور رائد الفضاء عبر أفق الحدث. بالنسبة للثقوب السوداء ذات الكتل الشمسية القليلة ، سيتمدد رائد الفضاء وتمزيقه حتى قبل أن يصل إلى أفق الحدث.

تمارس الأرض نفس الشيء قوى المد والجزر على رائد فضاء يقوم بالسير في الفضاء. في حالة الأرض ، تكون قوى المد والجزر صغيرة جدًا لدرجة أنها لا تشكل أي تهديد لصحة وسلامة رائد الفضاء. ليس الأمر كذلك في حالة الثقب الأسود. عاجلاً أم آجلاً ، مع اقتراب رائد الفضاء من الثقب الأسود ، ستصبح قوى المد والجزر كبيرة جدًا لدرجة أن رائد الفضاء سوف يتفكك ، وفي النهاية يتحول إلى مجموعة من الذرات الفردية التي ستواصل سقوطها الذي لا يرحم في التفرد.

من المناقشة السابقة ، ربما توافق على أن القفز إلى ثقب أسود هو بالتأكيد تجربة لا تحدث في العمر! يمكنك أن ترى تفسيرًا جذابًا لموت الثقب الأسود من قبل نيل دي جراس تايسون ، حيث يشرح تأثير قوى المد والجزر على جسم الإنسان حتى يموت عن طريق السباغيتي.

المفاهيم الأساسية والملخص

تشير النظرية إلى أن النجوم ذات النوى النجمية التي تزيد كتلتها عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس في الوقت الذي تستنفد فيه وقودها النووي ستنهار لتصبح ثقوبًا سوداء. يُطلق على السطح المحيط بالثقب الأسود ، حيث تساوي سرعة الهروب سرعة الضوء ، أفق الحدث ، ويطلق على نصف قطر السطح نصف قطر شوارزشيلد. لا شيء ، ولا حتى الضوء ، يمكنه الهروب عبر أفق الحدث من الثقب الأسود. في مركزه ، يُعتقد أن لكل ثقب أسود تفرّد ، ونقطة كثافة لا نهائية وحجم صفري. تظهر المادة التي تسقط في الثقب الأسود ، كما يراها مراقب خارجي ، وكأنها تتجمد في موضعها في أفق الحدث. ومع ذلك ، إذا كنا نركب على الأمر المتعثر ، فسنمر عبر أفق الحدث. عندما نقترب من التفرد ، فإن قوى المد والجزر ستمزق أجسادنا حتى قبل أن نصل إلى التفرد.

قائمة المصطلحات

منطقة في الزمكان حيث الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء - ولا حتى الضوء - الهروب

أفق الحدث:

حدود في الزمكان بحيث لا يكون للأحداث داخل الحدود أي تأثير على العالم خارجه - أي ، حدود المنطقة حول الثقب الأسود حيث لم يعد انحناء الزمكان يوفر أي مخرج

التفرد:

نقطة الحجم صفر والكثافة اللانهائية التي يجب أن ينهار عليها أي جسم يتحول إلى ثقب أسود ، وفقًا لنظرية النسبية العامة


"الثقب الأسود ليس له شعر"

في 28 مارس 2011 ، اكتشف علماء الفلك انفجارًا طويلًا لأشعة غاما قادمًا من مركز مجرة ​​على بعد 4 مليارات سنة ضوئية. كانت هذه هي المرة الأولى التي يلاحظ فيها البشر ما يمكن أن يكون ثقبًا أسود كاملاً يأكل نجمًا.

بغض النظر عما يأكله الثقب الأسود - نجم ، حمار ، جهاز iPhone ، مدرس قواعد اللغة - فالأمر متشابه تمامًا مع الثقب الأسود. قال الفيزيائي جون أرشيبالد ويلر ذات مرة: "الثقب الأسود ليس له شعر" ، مما يعني أن الثقب الأسود لا يتذكر سوى كتلة ودوران وشحنة عشاءه.

كلما أكل الثقب الأسود ، زاد نموه. في عام 2011 ، اكتشف العلماء أحد أكبر الثقوب السوداء على الإطلاق ، على بعد أكثر من 300 مليون سنة ضوئية. تزن ما يكفي لتلتهم ما يصل إلى 21 مليار شمس. يريد العلماء معرفة ما إذا كانت أكبر الثقوب السوداء ناتجة عن اندماج ثقبين أم أن ثقبًا واحدًا يأكل الكثير. لكن العلماء لا يعرفون كيف نما بهذه الضخامة.


5 تعليقات

إعادة الإسراع لتشكيل ثقب أسود: لست فيزيائيًا ، لكن تذكر أنك بحاجة إلى مزيد من الطاقة بشكل مضاعف لتسريع جسيم قريب من سرعة الضوء لذا يبدو لي أنه بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى كتلة من شأنها أن تنهار ، أنت & # 8217ve قمت بتزويدها بطاقة كافية بحيث تحتوي على طاقة كتلة كافية للانهيار دون تسارع.

أنا لست عالم فيزياء أو عالم ، أنا مهتم فقط. ولكن هل سيتصرف الجسم الكتلي الذي يبلغ وزنه 1 كجم مثل ثقب أسود إذا تم تسريعه إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء & # 8211 بسبب الزيادة الهائلة في الكتلة النسبية؟
هل ستمتص الأجسام القريبة مثل الكواكب والنجوم بداخلها ، كما لو كانت تُمتص في ثقب أسود & # 8220normal & # 8221؟
لا أظن ذلك للأسباب التالية:
(أ) إذا جاء هذا الجسم طارًا عبر نظامنا الشمسي (على سبيل المثال) ، فإنه سيأتي ويذهب * بسرعة كبيرة * بحيث لن يكون لدى قوة الجاذبية الوقت الكافي لامتصاص الكواكب والشمس بداخله. هذا لأن قوة الجاذبية لا يمكن أن تتحرك أسرع من سرعة الضوء. لذا فإن الجسم سيكون خارج النطاق الفعال قبل أن تتاح للكواكب الوقت للقيام بأكثر من اهتزاز قصير ، كما أظن.
(ب) في حالة تحرك الأجسام الأخرى بجانب الجسم الطائر بسرعة مماثلة في نفس الاتجاه ، فإن هذه الأجسام الأخرى ستكتسب أيضًا كتلة نسبية. لذا * كل * هذه الأجسام ستؤثر قوى جاذبية هائلة على بعضها البعض. مرة أخرى ، هذا يختلف تمامًا عن حالة الثقب الأسود "العادي" ، المحاط بأجسام أقل كتلة يمكن أن تمتصها بسهولة.
ماذا عن فوتونات الضوء التي تتحرك في نفس الاتجاه بنفس سرعة كتلة الطيران التي تبلغ 1 كجم؟ هل سيتم امتصاص هذه الفوتونات في الكتلة الطائرة بسبب كتلتها النسبية الضخمة؟ ربما. لا أعرف ما يكفي عن الفوتونات. يبدو أنهم غامضون جدًا بالنسبة لي ، يسافرون بسرعة الضوء ولكن لا يبدو أنهم يمتلكون الكثير في طريق الكتلة نفسها. أنا لا أفهم حقًا الفوتونات على الإطلاق.

رد: الثقب الشامل و gtfast و gtblack
نعم ، ستتحول الكتلة سريعة الحركة إلى ثقب أسود. وإبطائه من شأنه أن يمنعه من أن يكون ثقبًا أسود.
بدا أن الممثلين يخلطون بين الثقب الأسود والتفرد. هذا هو الفرق المهم. For example, (my pet theory) the universe ‘could’ be a black hole. To all intents and purposes it is, we cannot leave it and can transfer no knowledge out of it. And (this get close to ridiculous) the proof of it is that it is expanding at an increasing rate and that expansion must be fed by some energy which could be coming from an external mass that our black hole universe is feeding on. Or not.
Point is – black hole is simply a region of space that (even) light cannot escape from.
A singularity is completely different, essentially a point in space with infinite gravity.
So all singularities must be black holes, but not all black holes are singularities.

I note that Pamela and the commentators are careful to add the qualification “relativistic” to this type of “mass,” to distinguish it from what has elsewhere been called “proper mass,” the mass that is determined by atom-content. Surely there’s a point to the distinction. Who’s to say that both types of “mass” have the same set of properties? If we look at the evidence that is taken as experimental validation for the increase in “relativistic mass” – we find that it consists in an observed decrease in acceleration at the high velocities obtainable in particle accelerators. Maybe I’ve missed something, but I am unaware of any reports that the relevant data contain any traces of evidence for light-bending effects such as those observed near massive objects in the universe – objects with large _proper_ masses, that is – these light-bending effects being a key step in the reasoning that leads to black holes. In a way it would be “unfair” to expect such evidence from the accelerator data, since the “relativistic” masses thus obtained are presumably of nowhere near comparable magnitude to astronomical objects. But still that leaves us without observational evidence that the two types of “mass” are comparable in this respect.
In fact, one can go further in criticizing the whole notion of “relativistic mass” – and therefore the presumption that it is reasonable to expect identical effects to those associated with mass proper. I think no one said it better than D.B. Larson:
“Conclusions outside the scope of the observations are not knowledge.
“Somewhat analogous to the practice of extrapolation, but of a more questionable character, is the practice of exaggeration that is, claiming more than what the observations or measurements actually substantiate. A classic example is Einstein’s theory that mass is a function of velocity. Throughout scientific literature this theory is described as having been ‘proved’ by the results of experiment and by the successful use of the predictions of the theory in the design of the particle accelerators. Yet at the same time that a host of scientific authorities are proclaiming this theory as firmly established and incontestable experimental fact, practically every elementary physics textbook admits that it is actually nothing more than an arbitrary selection from among several possible alternative explanations of the observed facts. The experiments simply show that if a particle is subjected to an unchanged electric or magnetic force, the resulting acceleration decreases at high velocities and approaches a limit of zero at the velocity of light. The further conclusion that the decrease in acceleration is due to an increase in mass is a pure assumption that has no factual foundation whatever.
“As one textbook author explains the situation: “There seems to be no reason to believe that there is any change in the charge, and we therefore conclude that the mass increases.” Another says: “This decrease is interpreted as in increase of mass with speed, charge being constant.” Obviously an interpretation of the observed facts is not a fact in itself, and it is rather strange that the theorists have been so eager to accept this particular interpretation that they have not even taken the time to examine the full range of possible alternative interpretations. As these quotations from the textbooks indicate, it has been taken for granted that either the charge or the mass must be variable, but actually it is the acceleration that has been measured, and the acceleration is a relation of force to mass, not of charge to mass. The accepted interpretations of the observed facts therefore contain the additional assumption that the effective force exerted by a charge is constant irrespective of the velocity of the object to which it is applied. The possibility that this assumption is invalid cannot logically be excluded from consideration on the contrary, there are some distinct advantages in maintaining both charge and mass as constant magnitudes. When we get down to bedrock it is clear that the theory of an increase in mass is not something that has been proved by experiment, as is so widely claimed it is a pure assumption that goes beyond the scope of the experiment, and is only one of several possible alternatives. Any theory which leads to the observed decrease in acceleration at high velocities is equally as consistent with the observed facts as Einstein’s theory that the mass increases.”
From D.B. Larson, “Just How Much Do We Really Know?,” 1961:
http://library.rstheory.org/articles/Larson/JustHowMuch.html

I don’t drink, but if I did, a good drinking game would be to take a shot every time they say “black hole” in the questions show.


DETECTING BLACK HOLES

If a black hole exists in a close binary system, it can be detected indirectly. Gas ripped from the companion star will spiral in toward the black hole. As it does so, it is heated up (by tidal heating, and by friction as it rubs against neighboring gas). The hot gas emits X-rays as it undergoes its death spiral to the event horizon. (Once it's inside the event horizon, we don't see the gas any more, but it's highly visible as long as it's outside.) If you are hunting for black holes, it's good to start by looking for binary star systems which are also strong X-ray sources.

To demonstrate typical techniques for deducing the existence of black holes, I will use the story of Cygnus X-1 as a case study. Cygnus X-1 is the brightest X-ray source in the constellation Cygnus. (Also known as the ``Northern Cross'', Cygnus is visible in the summer sky.) X-rays from Cygnus X-1 are seen to vary irregularly - in strong contrast to the regular pulses emitted by X-ray pulsars. The X-rays from Cygnus X-1 can grow substantially brighter or dimmer over time scales as short as 0.01 second. The natural deduction from the rapid variability of Cygnus X-1 is that the X-rays are coming from a region less than 0.01 light-second across. (0.01 light-second is 3000 kilometers, or roughly the diameter of the Earth's Moon.)

The position of the X-ray source Cygnus X-1 coincides with that of a star called HDE 226868. (The fact that it has a boring catalog number instead of a name like ``Alpha Cygni'' will tell you that the apparent brightness of HDE 226868 is not very high.) The spectrum of HDE 226868 reveals that it is a hot blue supergiant. Its mass, if it's a supergiant star, must be substantial it's estimated to be about 30 solar masses. The distance to HDE 226868 is estimated to be 2500 parsecs. Stars (even hot supergiant stars) don't produce a significant amount of X-rays their photospheres just aren't hot enough. However, when the spectrum of HDE 226868 is examined, it has the characteristic Doppler shifts of a star in a binary system. The star HDE 226868 is part of a binary star system with an orbital period of 5.6 days. The mass of the unseen companion to HDE 226868 must be, from an application of Kepler's Third Law, at least 7 solar masses.

Astronomers deduce that the unseen companion to HDE 226868 must be the X-ray source Cygnus X-1. Cygnus X-1 is too compact to be a star. It is too massive to be a white dwarf or a neutron star. Anything so compact and so massive must be a ثقب أسود. (For more about Cygnus X-1 and other black hole candidates, try the ``Imagine the Universe'' site, sponsored by Goddard Space Flight Center.

(3) Many galaxies, including our own, have a supermassive black hole at their center.

An interesting recent development in astronomy is that supermassive black holes (that is, black holes more than a million times the mass of the Sun) are found at the centers of many galaxies. Our own galaxy, for instance, has a black hole with mass 2.6 million Mشمس at its center, 8000 parsecs away from us. Our own galactic black hole is actually fairly wimpy. The Andromeda Galaxy, 700,000 parsecs away, has a black hole with a mass of 30 million Mشمس.


الحلقة 18: Black Holes Big and Small

We’re finally ready to deal with the topic you’ve all been waiting for: Schwarzschild swirlers, Chandrasekhar crushers, ol’ matter manglers, sucking singularities… you might know them as black holes. Join as as we examine how black holes form, what they consume, and just how massive they can get.

Shownotes

General Information on Black Holes

    gravity’s relentless pull. An award winning interactive website covering a lot of FAQs, and the basics. Written and maintained by Robert Nemiroff (Michigan Technological University). Features explanations for general FAQs and links to interactive websites and movies. Black holes. by Ted Bunn (University of Richmond, then a grad student at University of California, Berkeley). The discussions of observations are out of date, but the theories haven’t changed much. scientists provide brief explanations about three different types of black holes, and link to many Chandra images and a short Chandra podcast.

Theorizing About Black Holes

Don’t forget to check out Astronomy Cast on the life cycle of stars, to understand how to get to black holes.

Transcript: Black Holes

Dr Pamela Gay: A black hole is basically an object that has shrunk down so small with all of its mass, that it’s actually possible to get close enough to all of that mass that you would have to go faster than the speed of light to get away from it. Our planet Earth is like a “people-hole� : no matter how hard I jump, I can’t jump off the surface of the planet. Well a black hole is an object that is so dense that its gravity so strong that light can’t get away from it.

فريزر: It’s a great analogy: the more massive an object gets, the stronger something has to be to escape, or the faster-moving something has to be to escape. With black holes it’s the speed of light, and as nothing moves faster than light, that’s that.

باميلا: Yes, you’re stuck! Now the catch is that any object, if you make it small enough, can become a black hole. The planet Earth would be a black hole if you could squish all its mass down to just a couple of millimetres across. It wouldn’t be a very impressive black hole, but if you got close enough you would be trapped on the Earth. But because the mass is spread out over such a large area, the gravitational effects aren’t that strong at the surface.

فريزر: So where did we come up with the idea of black holes?

باميلا: As far back as the 1784, the geologist John Michell started thinking “Well, we have this idea of Newtonian gravity, and we know about escape velocities, so let’s figure out just how big something has to be so that you have to go at the speed of light in order to escape.â€?

His calculation said that you had to have something about 500 times the radius of the Sun and the same density as the Sun at its surface to not be able to escape going at the speed of light. Physics has been upgraded since 1784 and we know that, with relativity, it’s a little more complicated. But the idea has been around for a long time.

فريزر: So what’s the more modern thinking about what’s going on inside a black hole?

باميلا: There are actually two different types of black hole there are those that are 4-15 times the size of the Sun, then there are those that are thousands of times the size of the Sun, while a stellar-mass black hole is a star that at some point just stopped producing the energy that supported the outer layers of the star. When those outer layers collapsed in, the particles could not support the weight of all of the material pressing down on them.

If you have an object of more than 1.4 Solar masses, when the mass collapses the protons and electrons smash together and all of them fuse into neutrons there is energy and bits escaping, but you end up with a neutron star.

If an object a little more than 3 solar masses collapses, it just keeps going, as neutrons (nor anything we can really understand) are not strong enough to hold the weight, so the star keeps collapsing. According to the math that we are working with today, you end up forming a singularity out of the material. But within the Schwarzschild radius…

فريزر: Sorry, what’s a singularity?

باميلا: Basically, it’s an infinitely dense point. You take all the matter and crush it down so it has basically no radius.

فريزر: So the pull of gravity is so strong that the matter is mashing the particles down to nothing?

باميلا: They basically reduce down to energy. Some people say it’s a “quark soupâ€?. We don’t fully understand the particle physics in this dense an environment. Our theories sort of stop once you get inside a black hole and there are some really powerful minds working on this, Stephen hawking, for instance.

فريزر: So what does Stephen Hawking think?

باميلا: Stephen Hawking is working on a theory of quantum gravity that is beyond the ability of anybody but the most intelligent experts in that field to understand, but there are indications that some really neat things are going on. For instance, there had been a long term bet between Hawking, Kip Thorn, and John Preskill about whether black holes consume information. One of the basic ideas of physics is that no information is ever lost and that, at a certain level, all of the information can somehow be gotten back.

But if stuff falls into a black hole never to come about again, that information is clearly getting absorbed into the black hole and lost forever. Or at least, that’s what people thought, but physics says information is never lost, so for a while there was a debate in which Thorn and Hawking said “Information is lost, black holes are uniqueâ€?, but Preskill said “No, information cannot be lost, that’s the rules of physicsâ€?.

Back in 2004, Hawking announced that maybe there were quantum perturbations at the event horizon of the black hole, and that information was able to come out through the stuff called “Hawking radiation�, or maybe there is information left behind if a black hole completely evaporates. This opens up fascinating things to talk about and he decided that information never is lost, so he paid Preskill in the form of a baseball encyclopaedia, with information he could always look up, as information is not lost.
Kip Thorn is still not convinced and has not yet paid his half of the bet, but these guys are doing complicated work to deal all the weird physics going on at the event horizon of a black hole.

فريزر: So, we have a star with 4-15 times the mass of the Sun, the fusion stops and it compresses down to possibly an infinitely small amount of space which we call a singularity, but it still maintains its mass. So what would we see if we were in the region of a black hole?

باميلا: If we were the poor schmuck who fell into the black hole, we would see ourselves falling in and all sorts of bad things would happen to us we would get stretched out, our body would be torn apart by the tidal forces of gravity being not as hard on our head as on our feet (if we were falling feet first) and this would all happen fairly rapidly, at least in our perspective.

But if we have a buddy a little further away, in a safe place not falling into the black hole, they would see us falling towards the black hole and continually slow down as we go, and get increasingly more red because the light coming from us would get red-shifted by the powerful gravity of the black hole. Eventually we would not be seen to fall into the black hole but – over an infinite amount of time – we would be seen to fade away.

فريزر: So the gravity of the black hole is stretching out the wavelengths of our light as it’s trying to escape the pull of the black hole.

باميلا: Yes, the light gets gravitationally red shifted because the wavelengths spread out.

فريزر: So you don’t actually disappear so much as fade away. Shouldn’t we be able to see black holes as very bright objects because they are surrounded by all the matter they have consumed?

باميلا: Actually, what is even brighter around black holes is their accretion disk. If something gets too close to a black hole, the material falling in will spiral around and form a disk of material. You get similar structures around white dwarf stars and neutron stars, as material falling into more or less any really compact object will form an accretion disk, which is so dense that there can be nuclear reactions going on within the disk. So, in some cases, this disk behaves almost like a star.

فريزر: So it’s as if the material is choking the black hole, which cannot eat it fast enough, so its backing up and the environment of this material becomes almost stellar in nature. It’s like when we talked about the first few moments of the Big Bang, when the whole universe was like the inside of a star.

باميلا: The conservation of angular momentum chokes the rate at which the material can fall into the black hole. It can’t just fall straight in unless it has a magically perfect trajectory (which never really happens). So the material gets choked up by the conservation of angular momentum and ends up creating this accretion disk which has amazing reactions going on within it, and that’s actually how we identify where we think black holes are located.

فريزر: That was going to be my next question: if black holes are black, how can we find them?

باميلا: We look for all the signatures of things can only happen near a black hole: rapidly rotating, highly dense accretion disks, and we can use the rate at which they are rotating to judge how massive the object at their centre has to be. So if you have a rapidly rotating accretion disk that indicates the mass within it is greater than about three solar masses, you have a pretty good clue that it probably has a black hole in the centre.

فريزر: Will it have a special signature that we can see in certain kinds of telescopes?

باميلا: These environments are generally so dense that the material gets so heated that we see x-ray emissions. So we can look for x-ray emissions as a signature of black holes.

فريزر: What about their mass? Does that have an effect on their local environment?

باميلا: That’s where the rotation rates come in. Things that are near a high mass object will orbit it much faster than those orbiting a low mass object at the same distance, so we look at something and see that the accretion disk is going super fast (mathematics, mathematics…!) and we can calculate the mass at the centre of the accretion disk, and using that mass we can figure out whether it’s a neutron star, a black hole or a white dwarf.

We can use Doppler shifts and measures of spectra to get at the rates of rotation (in the same way that a police officer can get the rate of how fast your car is going) and use that to identify where black holes are located.

فريزر: Earlier we talked about two sizes of black holes: stellar mass and those which are much larger. So what are those?

باميلا: There are also things called “supermassive black holes”that are somewhere between hundreds of thousands and tens of billions times bigger than our Sun.

فريزر: What percentage of the mass of a galaxy is that? There must be a big chunk of a galaxy just in that black hole.

باميلا: It’s a huge amount. These things form the core of galaxies, and the mass of a supermassive black hole in the centre of a galaxy is actually related to the size of the halo of a galaxy and how fast the stars within the galaxy are moving. These are basically the angry monster sitting at the core of every galaxy just waiting to feed on in-falling material.

فريزر: So there’s one at the heart of every galaxy?

باميلا: As far as we can tell, every galaxy has one in proportion to its size, and in fact, these things answer a lot of questions in astronomy quasars, for instance, are most likely black holes that are in the process of feeding on mass gas and dust that are falling into their centre.

فريزر: So that the backing up of material around the black hole?

باميلا: As the material falls in it gets lit up sometimes jets form, and it’s the jets that we can see in different types of objects. Active galactic nuclei, with amazing jets shooting out the ends, are black holes with jets which are just a side effect of the environment around the black hole.

فريزر: How come you get those jets?

باميلا: It’s this neat combination of what happens when you combine magnetic fields and in-falling material. Sometimes the material falls in along the ‘equator’ of the black hole and, as it falls, it gets twisted into the magnetic field and shot out the poles of the rotating black hole.

فريزر: What impact does one of these supermassive black holes have on its galaxy?

باميلا: The impact comes in terms of ending up with a huge central core shooting off huge amounts of radiation, but it’s localised to the core and the jets that are coming out of the poles. So you can still end up with star formation going on, and probably planet formation, just further from the centre. In fact our own Milky Way galaxy probably contained an active, consuming quasar black hole in its centre. We have the black hole today, it’s just not angrily feeding on dust and gas that’s falling into it.

فريزر: So we have a supermassive black hole at the middle of the Milky Way.

باميلا: And it’s not feeding on any gas and dust because there’s none falling into it today.

فريزر: So how was that discovered?

باميلا: Simply by looking at the stars. Andrea Ghez, Professor of Astronomy at the University of California, Los Angeles, took high speed images of the centre of the galaxy so that she could align and stack the images in such a way that she could look through the atmospheric crud, and the dust and gas between here and there, and actually see the stars that are very close to the centre.

Over the course of ten years, she could watch these stars move they would go half way round the centre of the galaxy while she was watching. Using the observed motions of these stars, she was able to calculate the mass of the object they had to be orbiting. Mathematically, it had to be a black hole (or some other object that no one has yet conceived of that is impossibly large and dense) that’s just sitting in the centre.

فريزر: There was a PBS special about three months ago where they showed the graphics that she built up. It was amazing to see the stars, several times the size of our Sun coming in then doing almost a quick turn around a point in space, then zooming back out, like comets orbiting the Sun, with bizarre orbits. I guess nothing could provide enough gravity but a supermassive black hole.

باميلا: There’s no way to pack enough normal stars into such a small area so as to get this gravitational effect. It’s one of the most breathtaking pieces of science to look at because you can see stars dramatically move like you would expect planets or comets – things local to our own solar system – to move.

فريزر: I’m sure people are going to want to know whether we are at any danger from these supermassive black holes at the heart of our galaxy.

باميلا: Absolutely none. We are safe!

فريزر: Not even a trillion years from now?

باميلا: Well, I really wouldn’t want to talk about a trillion years from now, because bad things are going to happen between now and then, like we are going to collide with the Andromeda galaxy, and then a lot of weird stuff is going to happen, because our supermassive black hole and Andromeda’s supermassive black hole will come together and orbit one another and perhaps even merge over time.

There are several merging galaxies where you can see these supermassive black holes near one another, with all the fabulous fireworks going off they trigger star formation, they have jets and they’re accreting matter. It’s fabulous fireworks! When we collide with another galaxy, I really can’t speak to our safety, but until that happens, I’m fairly certain we’re safe.

فريزر: Is our Sun going to turn into a black hole?

باميلا: No. Our Sun is just not fat enough. It’s just hanging out maintaining it’s weight quite nicely. It occasionally loses weight through mass loss, and the older it gets, the more mass it will lose through solar winds, and unless it finds some way (which physics cannot predict) to gain three times its current mass, we are totally safe.

فريزر: So what would happen if a black hole came through the solar system?

باميلا: We would die! Phil Plait from Bad Astronomy does a brilliant talk called “Seven Ways a Black Hole Can Kill You!” asking questions like “What would happen if a black hole did wander through the planet Earth, or through the Sun?â€? But we don’t know of any black holes that are going to do this, so we should be safe.

فريزر: Except they’re black and you can’t see them coming!

باميلا: Right, but they grab dust and gas as they go through it and light off fireworks as they go, so – as far as we know – we are totally safe from randomly wandering, isolated black holes.

فريزر: That’s good! Will black holes last forever is the end of the universe going to be when every piece of matter has found its way into a black hole?

باميلا: That’s one of the neat things black holes that are small enough can actually evaporate, just like water will evaporate from a glass after a time. But this is only true for small ones.

فريزر: But how does it evaporate?

باميلا: Throughout the universe, virtual particles are bubbling in and out of existence, so you can get an electron and a positron that spontaneously form and almost instantaneously come together and self annihilate. If these things form on the event horizon of a black hole, one may be on the outside of a black hole and be able to escape, while the other gets sucked in.

So the two never meet and annihilate one another, and you end up with particles bubbling up at the event horizon which escape the black hole and allow it to evaporate. This is called “Hawking Radiation�. If you have a big enough black hole, the amount of particles and energy that it absorbs just from the cosmic microwave background radiation is probably just enough to counteract the effects of evaporation, but small black holes can actually evaporate away.

فريزر: And then bigger black holes will eat those particles and everything will end up in the really big black holes.

باميلا: But there can still be things like white dwarfs, neutron stars and even rogue planets which never get close enough to a black hole to fall in. So it’s not that everything is going to be a black hole, but there will be a lot of them!

فريزر: Another grim future from Pamela! Thanks, that was great. Talk to you next week Pamela.


شاهد الفيديو: Golden Ratio and Scientific Miracles in Quran and Mecca (شهر نوفمبر 2022).