Черна дупка

Какво е черна дупка:

Черна дупка е космическо явление с много високи пропорции (обикновено по-големи от слънцето) и изключително компактна маса, в резултат на което гравитационното поле е толкова силно, че никаква частица или радиация не могат да излязат.

Като се има предвид, че дори светлината е засмукана, черните дупки са невидими и тяхното съществуване се доказва само от гравитационните последствия, наблюдавани в околностите му, особено от промени в орбитите на близки небесни тела, които сега са привлечени от черната дупка.

На теория само нещо, което се движи със скорост, по-голяма от скоростта на светлината, би могло да устои на гравитационното поле на черна дупка. Поради тази причина не е възможно да се знае със сигурност какво се случва със засмуканата материя.

Колко голяма е черната дупка?

Черните дупки съществуват в различни размери. Малоизвестните на науката непълнолетни се наричат първични черни дупки и се смята, че са с размер на атом, но с обща маса на планина.

Средните черни дупки (чиято маса е до 20 пъти по-голяма от общата маса на слънцето) се наричат звездна . В тази категория най-малката открита черна дупка е 3, 8 пъти по-голяма от слънчевата маса.

Най-големите каталогизирани черни дупки се наричат супермасивни, често намиращи се в центъра на галактиките. Например, в центъра на Млечния път е Стрелец А, черна дупка с маса, еквивалентна на 4 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето.

Досега най-голямата известна черна дупка се нарича S50014 + 81, чиято маса е равна на 40 милиарда пъти по-голяма от масата на Слънцето.

Как се образуват черните дупки?

Черните дупки се формират от гравитационни срутвания на небесните тела. Тези явления се случват, когато вътрешното налягане на тялото (обикновено звезди) е недостатъчно, за да поддържа собствената си маса. Така че, когато ядрото на звездата се срути поради гравитацията, небесното тяло експлодира, освобождавайки огромни количества енергия в събитие, известно като свръхнова .

Визуално представяне на супернова.

По време на свръхнова, в част от секундата, цялата маса на звездата се компресира в ядрото си, докато се движи с около 1/4 от скоростта на светлината (включително и в този момент се създават най-тежките елементи на Вселената).

Тогава експлозията ще предизвика неутронна звезда или, ако звездата е достатъчно голяма, резултатът ще бъде образуването на черна дупка, чието астрономическо количество концентрирана маса създава гореспоменатото гравитационно поле. В нея скоростта на избягване (скорост, необходима за да се противопостави на някаква частица или радиация на привличането) трябва да бъде поне по-голяма от скоростта на светлината.

Видове черни дупки

Германският теоретик-физик Алберт Айнщайн формулира набор от хипотези, свързани с гравитацията, които са послужили като основа за появата на съвременната физика. Този набор от идеи се нарича Теория на общата теория на относителността, в която ученият прави няколко иновативни наблюдения за гравитационните ефекти на черните дупки.

За Айнщайн черните дупки са "деформации в пространството-време, причинени от огромното количество концентрирана материя". Неговите теории насърчават бърз напредък в района и позволяват класифицирането на различните видове черни дупки:

Черната дупка на Шварцшилд

Черните дупки на Шварцшилд са тези, които нямат електрически заряд и също така нямат ъглови импулси, т.е. не се въртят около оста си.

Кер Черна дупка

Черните дупки на Kerr нямат електрически заряд, но се въртят около оста си.

Черната дупка на Рейснер-Нордстром

Черните дупки на Reissner-Nordstrom имат електрически заряд, но не се въртят около оста си.

Черната дупка на Кер-Нюман

Черните дупки на Кер-Нюман са електрически заредени и се въртят около оста си.

На теория всички видове черни дупки в крайна сметка стават черни дупки на Шварцшилд (статични и без електрически заряд), когато губят достатъчно енергия и спират да се въртят. Това явление е известно като Процеса на Пенроуз . В тези случаи единственият начин да се разграничи една черна дупка от Шварцшилд от друга е чрез измерване на неговата маса.

Структура на черна дупка

Черните дупки са невидими, тъй като гравитационното им поле е неизбежно дори за светлина. Така черната дупка има външен вид на тъмна повърхност, от която нищо не се отразява и няма доказателства за това какво се случва с елементите, които се всмукват в него. Въпреки това, от наблюдението на ефектите, които те предизвикват в средата си, науката структурира черните дупки в хоризонта на събитията, сингулярността и ергосферата .

Хоризонт на събитията

Границата на гравитационното поле на черната дупка, от която не се наблюдава нищо, се нарича хоризонт на събитията или точка без връщане .

Графично представяне на хоризонт на събития, предоставен от НАСА, в който се наблюдава перфектна сфера, от която не се излъчва светлина.

Въпреки че всъщност това са само гравитационни последствия, хоризонтът на събитията се счита за част от структурата на черна дупка, защото е началото на наблюдаваната област на явлението.

Известно е, че неговата форма е перфектно сферична в статични черни дупки и наклонена в въртящи се черни дупки.

Благодарение на гравитационното разширение на времето, влиянието на масата на черната дупка върху пространството-време причинява хоризонта на събитието, дори извън неговия обхват, да има следните ефекти:

• За един далечен наблюдател, часовник близо до хоризонта на събитието ще се движи по-бавно от друг по-далеч. По този начин всеки обект, всмукан в черната дупка, изглежда забавя, докато не стане парализиран във времето.
• За отдалечен наблюдател обектът, който се приближава към хоризонта на събитието, ще приеме червеникав оттенък, следствие от физическото явление, известно като червено изместване, тъй като честотата на светлината се намалява от гравитационното поле на черната дупка.
• От гледна точка на обекта, времето ще премине с ускорена скорост за цялата вселена, докато за себе си времето ще премине нормално.

необичайност

Централната точка на черната дупка, където масата на звездата е безкрайно концентрирана, се нарича сингулярност, за която малко се знае за нея. На теория сингулярността съдържа общата маса на звездата, която се срина, прибавена към масата на всички тела, изсмукани от гравитационното поле, но няма обем или повърхност.

ergosphere

Ергосферата е област, която заобикаля хоризонта на събитията в въртящите се черни дупки, в които е невъзможно небесното тяло да стои неподвижно.

Все пак според относителността на Айнщайн всеки въртящ се обект има тенденция да привлича пространството-време близо до него. В въртяща се черна дупка този ефект е толкова силен, че е необходимо небесното тяло да се движи в обратна посока със скорост, по-голяма от тази на светлината, за да остане неподвижна.

Важно е да не се бъркат ефектите на ергосферата с ефектите на хоризонта на събитията. Ергосферата не привлича обекти с гравитационното поле. По този начин всичко, което влиза в контакт с нея, ще бъде изместено само в пространството-време и ще бъде привлечено само ако пресича хоризонта на събитията.

Теории на Стивън Хокинг за черни дупки

Стивън Хокинг е един от най-влиятелните физици и космолози от 20-ти и 21-ви век, като сред многобройните му приноси, Хокинг решава няколко теореми, предложени от Айнщайн, които допринасят за теорията, че Вселената започва в сингулярност, което допълнително подсилва т.нар. Големия взрив .

Хокинг също вярваше, че черните дупки не са напълно черни, а отделят малки количества топлинна радиация. Този ефект е известен във физиката като радиация на Хокинг . Тази теория предсказва, че черните дупки ще загубят масата с освободената радиация и в един изключително бавен процес ще намалят до изчезване.