بالنسبة للعلماء المعاصرين ، يعتبر الثقب الأسود من أكثر الظواهر غموضًا في عالمنا. دراسة مثل هذه الأشياء صعبة ، لا يمكن تجربتها "بالتجربة". كتلة ، وكثافة مادة الثقب الأسود ، وعمليات تكوين هذا الجسم ، والأبعاد - كل هذا يثير الاهتمام بين المتخصصين ، وفي بعض الأحيان - الحيرة. دعونا ننظر في الموضوع بمزيد من التفصيل. أولاً ، دعنا نحلل ماهية هذا الكائن.
معلومات عامة
ميزة مدهشة للجسم الكوني هي الجمع بين نصف قطر صغير وكثافة عالية من مادة الثقب الأسود وكتلة كبيرة بشكل لا يصدق. تبدو جميع الخصائص الفيزيائية المعروفة حاليًا لمثل هذا الشيء غريبة للعلماء ، وغالبًا ما يتعذر تفسيرها. حتى أكثر علماء الفيزياء الفلكية خبرة لا يزالون مندهشين من خصائص مثل هذه الظواهر. السمة الرئيسية التي تسمح للعلماء بالتعرف على الثقب الأسود هي أفق الحدث ، أي الحدود التي يرجع إليهالا شيء يعود ، بما في ذلك الضوء. إذا تم فصل المنطقة بشكل دائم ، يتم تعيين حدود الفصل كأفق الحدث. مع الفصل المؤقت ، يتم إصلاح وجود الأفق المرئي. أحيانًا يكون مصطلح "الزماني" مفهومًا فضفاضًا للغاية ، أي أن المنطقة قد تنفصل لفترة تتجاوز العمر الحالي للكون. إذا كان هناك أفق مرئي موجود لفترة طويلة يصعب تمييزه عن أفق الحدث.
من نواحٍ عديدة ، تعود خصائص الثقب الأسود ، وكثافة المادة التي تشكله ، إلى صفات فيزيائية أخرى تعمل في قوانين عالمنا. أفق الحدث للثقب الأسود المتماثل كرويًا هو كرة يتم تحديد قطرها من خلال كتلتها. كلما زادت الكتلة التي يتم سحبها إلى الداخل ، زادت الحفرة. ومع ذلك ، تظل صغيرة بشكل مدهش على خلفية النجوم ، حيث يضغط ضغط الجاذبية على كل شيء بداخلها. إذا تخيلنا ثقبًا تتوافق كتلته مع كوكبنا ، فلن يتجاوز نصف قطر هذا الجسم بضعة مليمترات ، أي أنه سيكون أقل بعشرة مليارات من الأرض. تمت تسمية نصف القطر على اسم Schwarzschild ، العالم الذي استنتج الثقوب السوداء لأول مرة كحل لنظرية النسبية العامة لأينشتاين.
وفي الداخل؟
بعد دخوله في مثل هذا الشيء ، من غير المرجح أن يلاحظ الشخص كثافة كبيرة على نفسه. خصائص الثقب الأسود ليست مفهومة جيدًا للتأكد مما سيحدث ، لكن العلماء يعتقدون أنه لا يمكن الكشف عن أي شيء خاص عند عبور الأفق. هذا ما يفسره المكافئ أينشتاينالمبدأ الذي يفسر سبب عدم اختلاف الراصد عن المجال الذي يشكل انحناء الأفق والتسارع الكامن في المستوى. عند تتبع عملية العبور من مسافة ، يمكنك أن ترى أن الجسم يبدأ في التباطؤ بالقرب من الأفق ، كما لو أن الوقت يمر ببطء في هذا المكان. بعد مرور بعض الوقت ، سيعبر الكائن الأفق ، ويسقط في نصف قطر Schwarzschild.
كثافة المادة في الثقب الأسود ، وكتلة الجسم ، وأبعاده وقوى المد والجزر ، ومجال الجاذبية ترتبط ارتباطًا وثيقًا. كلما زاد نصف القطر ، قلت الكثافة. يزيد نصف القطر مع زيادة الوزن. تتناسب قوى المد والجزر عكسًا مع الوزن المربع ، أي مع زيادة الأبعاد وتناقص الكثافة ، تنخفض قوى المد والجزر للجسم. سيكون من الممكن التغلب على الأفق قبل ملاحظة هذه الحقيقة إذا كانت كتلة الجسم كبيرة جدًا. في الأيام الأولى للنسبية العامة ، كان يُعتقد أن هناك تفردًا في الأفق ، لكن اتضح أن هذا لم يكن كذلك.
حول الكثافة
كما أظهرت الدراسات ، يمكن أن تكون كثافة الثقب الأسود ، حسب الكتلة ، أكثر أو أقل. بالنسبة للكائنات المختلفة ، يختلف هذا المؤشر ، لكنه يتناقص دائمًا مع زيادة نصف القطر. قد تظهر ثقوب هائلة الحجم ، والتي تتشكل بشكل كبير نتيجة لتراكم المواد. في المتوسط ، تكون كثافة هذه الأجسام ، التي تتوافق كتلتها مع الكتلة الكلية لعدة مليارات من النجوم المضيئة في نظامنا ، أقل من كثافة الماء. في بعض الأحيان يمكن مقارنته بمستوى كثافة الغاز. يتم تنشيط قوة المد والجزر لهذا الجسم بالفعل بعد عبور المراقب الأفقالأحداث. لن يتأذى المستكشف الافتراضي عندما يقترب من الأفق ، وسيسقط عدة آلاف من الكيلومترات إذا وجد الحماية من قرص البلازما. إذا لم ينظر الراصد إلى الوراء ، فلن يلاحظ أن الأفق قد تم عبوره ، وإذا أدار رأسه ، فربما يرى أشعة الضوء مجمدة في الأفق. سيتدفق الوقت للمراقب ببطء شديد ، وسيكون قادرًا على تتبع الأحداث بالقرب من الحفرة حتى لحظة الموت - إما هي أو الكون.
لتحديد كثافة الثقب الأسود فائق الكتلة ، تحتاج إلى معرفة كتلته. أوجد قيمة هذه الكمية وحجم شوارزشيلد المتأصل في الجسم الفضائي. في المتوسط ، هذا المؤشر ، وفقًا لعلماء الفيزياء الفلكية ، صغير للغاية. في نسبة كبيرة من الحالات ، يكون أقل من مستوى كثافة الهواء. يتم شرح الظاهرة على النحو التالي. يرتبط نصف قطر Schwarzschild ارتباطًا مباشرًا بالوزن ، بينما ترتبط الكثافة عكسًا بالحجم ، وبالتالي نصف قطر Schwarzschild. الحجم مرتبط بشكل مباشر بنصف القطر المكعب. زيادة الكتلة خطيًا. وفقًا لذلك ، ينمو الحجم بشكل أسرع من الوزن ، ويصبح متوسط الكثافة أصغر ، وكلما زاد نصف قطر الكائن قيد الدراسة.
فضولي لمعرفة
قوة المد والجزر الكامنة في الثقب هي انحدار لقوة الجاذبية ، وهي كبيرة جدًا في الأفق ، لذلك حتى الفوتونات لا يمكنها الهروب من هنا. في الوقت نفسه ، تحدث الزيادة في المعلمة بسلاسة تامة ، مما يجعل من الممكن للمراقب تجاوز الأفق دون المخاطرة بنفسه.
دراسات حول كثافة الثقب الأسود فيلا يزال مركز الكائن محدودًا نسبيًا. لقد أثبت علماء الفيزياء الفلكية أنه كلما اقتربنا من التفرد المركزي ، زاد مستوى الكثافة. تتيح لك آلية الحساب المذكورة سابقًا الحصول على فكرة متوسطة جدًا عما يحدث.
لدى العلماء أفكار محدودة للغاية حول ما يحدث في الحفرة وهيكلها. وفقًا لعلماء الفيزياء الفلكية ، فإن توزيع الكثافة في الثقب ليس مهمًا جدًا لمراقب خارجي ، على الأقل عند المستوى الحالي. المزيد من المواصفات الإرشادية للجاذبية والوزن. كلما كانت الكتلة أكبر ، كلما كان المركز والأفق أقوى ، ينفصلان عن بعضهما البعض. هناك أيضًا مثل هذه الافتراضات: ما وراء الأفق مباشرة ، المادة غائبة من حيث المبدأ ، ولا يمكن اكتشافها إلا في أعماق الجسم.
هل أي أرقام معروفة؟
ظل العلماء يفكرون في كثافة الثقب الأسود لفترة طويلة. أجريت دراسات معينة ، بذلت محاولات لحساب. هنا واحد منهم
الكتلة الشمسية 210 ^ 30 كجم. يمكن أن يتشكل ثقب في موقع جسم أكبر بعدة مرات من الشمس. تقدر كثافة الحفرة الأخف بمتوسط 10 ^ 18 كجم / م3. هذا ترتيب من حيث الحجم أعلى من كثافة نواة الذرة. تقريبا نفس الاختلاف عن متوسط مستوى الكثافة المميزة لنجم نيوتروني.
من الممكن وجود ثقوب خفيفة للغاية ، والتي تتوافق أبعادها مع الجسيمات دون النووية. بالنسبة لمثل هذه الكائنات ، سيكون مؤشر الكثافة كبيرًا بشكل مانع.
إذا أصبح كوكبنا حفرة ، فستكون كثافته تقريبًا 210 ^ 30 كجم / م3. ومع ذلك ، لم يتمكن العلماء من ذلكتكشف عن العمليات التي يمكن نتيجة لها أن يتحول بيت الفضاء الخاص بنا إلى ثقب أسود.
حول الأرقام بمزيد من التفصيل
تقدر كثافة الثقب الأسود في مركز مجرة درب التبانة بـ 1.1 مليون كجم / م3. كتلة هذا الجسم تعادل 4 ملايين كتلة شمسية. ويقدر نصف قطر الحفرة بـ 12 مليون كيلومتر. تعطي الكثافة المحددة للثقب الأسود في مركز مجرة درب التبانة فكرة عن المعلمات الفيزيائية للثقوب فائقة الكتلة.
إذا كان وزن جسم ما هو 10 ^ 38 كجم ، أي يقدر بنحو 100 مليون شمس ، فإن كثافة الجسم الفلكي تتوافق مع مستوى كثافة الجرانيت الموجود على كوكبنا.
من بين جميع الثقوب المعروفة لعلماء الفيزياء الفلكية المعاصرين ، تم العثور على واحد من أثقل الثقوب في OJ 287 Quasar ، وزنه يتوافق مع 18 مليار من النجوم المضيئة في نظامنا. ما هي كثافة الثقب الأسود ، حسبها العلماء دون صعوبة كبيرة. تبين أن القيمة صغيرة للغاية. إنها 60 جم / م فقط3. للمقارنة: تبلغ كثافة الهواء الجوي لكوكبنا 1.29 مجم / م3.
من أين تأتي الثقوب؟
لم يجر العلماء بحثًا لتحديد كثافة الثقب الأسود مقارنةً بنجم نظامنا أو الأجسام الكونية الأخرى فحسب ، بل حاولوا أيضًا تحديد مصدر الثقوب ، وما هي آليات تكوين مثل هذه الثقوب. أشياء غامضة. الآن هناك فكرة عن أربع طرق لظهور الثقوب. الخيار الأكثر فهمًا هو انهيار النجم. عندما يصبح كبيرًا ، يكتمل التوليف في النواة ،يختفي الضغط ، وتسقط المادة إلى مركز الجاذبية فيظهر ثقب. كلما اقتربت من المركز ، تزداد الكثافة. عاجلاً أم آجلاً ، يصبح المؤشر مهمًا جدًا لدرجة أن الأجسام الخارجية غير قادرة على التغلب على تأثيرات الجاذبية. من الآن فصاعدًا ، تظهر فجوة جديدة. هذا النوع أكثر شيوعًا من غيره ويسمى ثقوب الكتلة الشمسية.
نوع آخر شائع إلى حد ما من الثقوب هو الثقوب الهائلة. يتم ملاحظتها في كثير من الأحيان في مراكز المجرة. كتلة الجسم مقارنة بفتحة الكتلة الشمسية الموصوفة أعلاه أكبر بمليارات المرات. لم يقم العلماء بعد بتأسيس عمليات إظهار مثل هذه الأشياء. يُفترض أن الثقب يتشكل أولاً وفقًا للآلية الموصوفة أعلاه ، ثم يتم امتصاص النجوم المجاورة ، مما يؤدي إلى النمو. هذا ممكن إذا كانت منطقة المجرة مكتظة بالسكان. يحدث امتصاص المادة بشكل أسرع مما يمكن أن يوضحه المخطط أعلاه ، ولا يستطيع العلماء حتى الآن تخمين كيفية حدوث الامتصاص.
افتراضات وأفكار
موضوع صعب للغاية بالنسبة لعلماء الفيزياء الفلكية هو الثقوب البدائية. مثل هذه ، على الأرجح ، تظهر من أي كتلة. يمكن أن تتشكل في تقلبات كبيرة. ربما حدث ظهور مثل هذه الثقوب في بدايات الكون. حتى الآن ، الدراسات المكرسة لصفات وميزات (بما في ذلك كثافة) الثقوب السوداء وعمليات ظهورها لا تسمح لنا بتحديد نموذج يعيد إنتاج عملية ظهور الثقب الأساسي بدقة. النماذج المعروفة حاليًا هي في الغالب من هذا القبيل ، إذا تم تنفيذها في الواقع ،سيكون هناك الكثير من الثقوب.
افترض أن مصادم الهادرونات الكبير يمكن أن يصبح مصدرًا لتشكيل ثقب ، تتوافق كتلته مع بوزون هيغز. وفقًا لذلك ، ستكون كثافة الثقب الأسود كبيرة جدًا. إذا تم تأكيد هذه النظرية ، فيمكن اعتبارها دليلاً غير مباشر على وجود أبعاد إضافية. في الوقت الحاضر ، لم يتم تأكيد هذا الاستنتاج التخميني.
إشعاع من ثقب
يفسر انبعاث الثقب بالتأثيرات الكمية للمادة. الفضاء ديناميكي ، لذا فإن الجسيمات هنا مختلفة تمامًا عما اعتدنا عليه. بالقرب من الفتحة ، ليس الوقت فقط مشوهًا ؛ يعتمد فهم الجسيم إلى حد كبير على من يراقبه. إذا وقع شخص ما في حفرة ، فيبدو له أنه يغرق في الفراغ ، وبالنسبة لمراقب بعيد ، فإنه يبدو وكأنه منطقة مليئة بالجسيمات. يتم تفسير التأثير من خلال تمدد الزمان والمكان. تم تحديد الإشعاع من الحفرة لأول مرة بواسطة هوكينج ، الذي أطلق اسمه على هذه الظاهرة. للإشعاع درجة حرارة مرتبطة عكسياً بالكتلة. كلما انخفض وزن الجسم الفلكي ، ارتفعت درجة الحرارة (وكذلك كثافة الثقب الأسود). إذا كان الثقب فائق الكتلة أو لديه كتلة مماثلة للنجم ، فإن درجة الحرارة الكامنة لإشعاعها ستكون أقل من الخلفية الميكروية. وبسبب هذا لايمكن ملاحظتها
هذا الإشعاع يفسر فقدان البيانات. هذا هو اسم ظاهرة حرارية ، لها صفة واحدة مميزة - درجة الحرارة. لا توجد معلومات حول عمليات تكوين الثقب من خلال الدراسة ، لكن الجسم الذي يصدر مثل هذا الإشعاع يفقد الكتلة في وقت واحد (وبالتالي ينموكثافة الثقب الأسود). لا تتحدد العملية بالمادة التي يتكون منها الثقب ، ولا تعتمد على ما تم امتصاصه فيه فيما بعد. لا يستطيع العلماء تحديد ما أصبح قاعدة الحفرة. علاوة على ذلك ، أظهرت الدراسات أن الإشعاع عملية لا رجوع فيها ، أي أنها ببساطة لا يمكن أن توجد في ميكانيكا الكم. هذا يعني أنه لا يمكن التوفيق بين الإشعاع ونظرية الكم ، ويتطلب عدم الاتساق مزيدًا من العمل في هذا الاتجاه. بينما يعتقد العلماء أن إشعاع هوكينغ يجب أن يحتوي على معلومات ، إلا أننا لا نملك حتى الآن الوسائل والقدرات لاكتشافه.
فضولي: حول النجوم النيوترونية
إذا كان هناك عملاق فائق ، فهذا لا يعني أن مثل هذا الجسم الفلكي أبدي. بمرور الوقت ، يتغير ويتجاهل الطبقات الخارجية. قد تظهر الأقزام البيضاء من البقايا. الخيار الثاني هو النجوم النيوترونية. يتم تحديد عمليات محددة بواسطة الكتلة النووية للجسم الأساسي. إذا تم تقديره في حدود 1.4-3 من الطاقة الشمسية ، فإن تدمير العملاق العملاق يكون مصحوبًا بضغط مرتفع جدًا ، ونتيجة لذلك يتم ضغط الإلكترونات في البروتونات. هذا يؤدي إلى تكوين النيوترونات ، وانبعاث النيوترينوات. في الفيزياء ، يسمى هذا الغاز النيوتروني المتحلل. ضغطه لا يمكن للنجم أن ينكمش أكثر من ذلك.
ومع ذلك ، كما أظهرت الدراسات ، ربما لم تظهر كل النجوم النيوترونية بهذه الطريقة. بعضها بقايا كبيرة انفجرت مثل سوبر نوفا ثاني.
نصف قطر جسم تومأقل من كتلة أكبر. بالنسبة لمعظم ، يتراوح بين 10-100 كم. أجريت دراسات لتحديد كثافة الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية. بالنسبة للثانية ، كما أظهرت الاختبارات ، فإن المعلمة قريبة نسبيًا من المعلمة الذرية. الأرقام المحددة التي وضعها علماء الفيزياء الفلكية: 10 ^ 10 جم / سم3.
فضولي لمعرفة: النظرية والتطبيق
تم التنبؤ بالنجوم النيوترونية نظريًا في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. كانت النجوم النابضة هي أول ما تم اكتشافه. هذه نجوم صغيرة ، سرعة دورانها عالية جدًا ، والمجال المغناطيسي ضخم حقًا. من المفترض أن النجم النابض يرث هذه المعلمات من النجم الأصلي. تختلف فترة الدوران من مللي ثانية إلى عدة ثوانٍ. أصدرت أول النجوم النابضة المعروفة انبعاثًا راديويًا دوريًا. اليوم النجوم النابضة مع إشعاع طيف الأشعة السينية وأشعة جاما معروفة
يمكن أن تستمر العملية الموصوفة لتشكيل النجم النيوتروني - لا يوجد شيء يمكن أن يوقفها. إذا كانت الكتلة النووية أكبر من ثلاث كتل شمسية ، فإن الجسم النقطي يكون مضغوطًا جدًا ، ويشار إليه بالثقوب. لن يكون من الممكن تحديد خصائص ثقب أسود كتلته أكبر من الكتلة الحرجة. إذا فقد جزء من الكتلة بسبب إشعاع هوكينغ ، فإن نصف القطر سينخفض في نفس الوقت ، وبالتالي فإن قيمة الوزن ستكون مرة أخرى أقل من القيمة الحرجة لهذا الكائن.
هل يمكن للثقب أن يموت
طرح العلماء افتراضات حول وجود عمليات بسبب مشاركة الجسيمات والجسيمات المضادة. يمكن أن يتسبب تذبذب العناصر في تمييز المساحة الفارغةمستوى الطاقة الصفري ، والذي (هنا مفارقة!) لن يكون مساويًا للصفر. في الوقت نفسه ، سيتلقى أفق الحدث المتأصل في الجسم طيفًا منخفض الطاقة متأصلًا في الجسم الأسود المطلق. مثل هذا الإشعاع سوف يسبب فقدان الكتلة. الأفق سوف يتقلص قليلا. افترض أن هناك زوجان من الجسيم ومضاد له. هناك فناء لجسيم من زوج وخصمه من آخر. نتيجة لذلك ، هناك فوتونات تطير من الحفرة. يسقط الزوج الثاني من الجسيمات المقترحة في الحفرة ، ويمتص في نفس الوقت قدرًا من الكتلة والطاقة. وهذا يؤدي تدريجياً إلى موت الثقب الأسود.
كاستنتاج
وفقًا للبعض ، الثقب الأسود هو نوع من المكنسة الكهربائية الكونية. يمكن للثقب أن يبتلع نجمًا ، بل ويمكنه أن "يأكل" مجرة. من نواحٍ عديدة ، يمكن العثور على تفسير صفات الثقب ، فضلاً عن ميزات تكوينه ، في نظرية النسبية. ومعلوم منه أن الزمن مستمر وكذلك الفضاء. هذا ما يفسر عدم إمكانية إيقاف عمليات الضغط ، فهي غير محدودة وغير محدودة.
هذه هي تلك الثقوب السوداء الغامضة ، والتي عكف علماء الفيزياء الفلكية على تحريك أدمغتهم فيها لأكثر من عقد من الزمان.
