Kako je svet razumel črne luknje

Risbe treh znanstvenikov.

Roger Penrose, Reinhard Genzel in Andrea Ghez. So skupni dobitniki Nobelove nagrade za fiziko 2020 za svoje delo o črnih luknjah. Slika preko Nobel Media.

V začetku tega meseca (6. oktober 2020) je bila razglašena Nobelova nagrada za fiziko za dve prelomni odkritji v astrofiziki, obe osredotočeni na črne luknje. Polovica nagrade 2020 je pripadla matematikuRoger PenroseUniverze v Oxfordu 'za odkritje, da je nastanek črne luknje trdna napoved splošne teorije relativnosti.' Druga polovica je šla skupajReinhard Genzelinštituta Max Planck za zunajzemeljsko fiziko v Nemčiji inAndrea GhezUniverze v Kaliforniji v Los Angelesu 'za odkritje supermasivnega kompaktnega predmeta v središču naše galaksije.'

To je bil odličen trenutek za fiziko črnih lukenj, pa tudi za astronomijo in astrofiziko nasploh. In to je čudovit čas za razmišljanje o fascinantni zgodovini znanosti o črnih luknjah.

Lunarni koledarji za leto 2021 so tu! Naročite svojega, preden odidejo. Je odlično darilo!

Kaj so črne luknje?

Črne luknje so eksotični predmeti v vesolju. Klasični scenarij za nastanek črnih lukenj je osredotočen na ogromno zvezdo, ki ji zmanjka notranjega goriva, ki ga potrebuje za sijaj. Zvezda se zruši pod vplivom lastne gravitacije in za seboj pusti kompakten objekt visoke gostote z ogromno gravitacijo. Črna luknja je prostor v vesolju, ki vsebuje tako gost in tako kompakten predmet, da okoli sebe tvori območje, iz katerega svetloba ne more pobegniti. Meja te regije je znana kotobzorje dogodkov. Ko enkrat preseže obzorje dogodkov črne luknje, je gravitacijski vlek luknje neizprosen.

Če je v bližini črne luknje material - in če se ta material preveč približa - ga potegnemo noter. A ne pade samo naenkrat v luknjo; namesto tega tvori žareč disk, ki obdaja črno luknjo, imenovano anakrecijski disk. Trenje znotraj akrecijskega diska lahko disk segreje na milijarde stopinj, zaradi česar oddaja sevanje po elektromagnetnem spektru. Čeprav črni luknji ne more uiti nobena svetloba, lahko astronomi opazujejo črne luknje v vesolju s pomočjo svojih akrecijskih diskov.



Še več, v procesuohranitev kotnega momenta, črne luknje lahko povzročijo izbruhe, ki pridejo pravokotno na akrecijski disk. Ti izbruhi se imenujejocurkiastronomov in lahko izstrelijo material v vesolje prirelativističnahitrosti, to je hitrosti, ki so pomemben del hitrosti svetlobe (186.000 milj ali 300.000 km na sekundo). Astronomi lahko preučujejo tudi curke črnih lukenj, da bi izvedeli več o črnih luknjah.

Razvoj teorij črnih lukenj

Vse zgoraj navedeno je biloteorija, razvit v 20. stoletju. Alberta EinsteinaSplošna teorija relativnosti, objavljeno leta 1916, je vsebovalo semena sodobnega koncepta črnih lukenj, čeprav prvič omenja podoben koncept leta 1783, ko je angleščinanaravoslovni filozofpo imenuJohn Michellteoretizirali obstoj masivnih predmetov, iz katerih svetloba ne more uiti.

Einsteinova teorija relativnosti obravnavaukrivljenost prostora-časa kot posledica gravitacije. Ta ukrivljenost povzroči, da se predmet premika po ukrivljeni poti, ki je enakovredna ravni črti v odsotnosti gravitacije. Teorija je dopuščala obstoj snovi v majhnem in neskončno ukrivljenem prostoru. Teorija je bila objavljena kotTerenske enačbe gravitacijeleta 1915.

Med prvo svetovno vojno je služil v nemški vojski, astronom in direktor Astrofizikalnega observatorija v PotsdamuKarl Schwarzschildje prvi rešil Einsteinove poljske enačbe. Njegova rešitev je uspešno opisala, kako je prostor-čas ukrivljen, ne le okoli planeta ali zvezde, ampak tudi okoli teoretičnih mas z visoko gostoto, kot so črne luknje. V prostoru okrog predmeta, ki je dovolj gost in dovolj velik, je gravitacija tako močna, da celo svetloba-najhitreje premikajoča se stvar v vesolju s hitrostjo 300.000 km na sekundo-ne more pobegniti. Tako je Schwarzschild prvi zasnovalobzorje dogodkovali mejno območje okoli črne luknje. Danes fiziki govorijo oPolmer Schwarzschilda, ki je (v bistvu) polmer obzorja dogodkov črne luknje. Schwarzschildova rešitev Einsteinovih poljskih enačb je tudi elegantno razložila pojem asingularnost- osrednja točka črne luknje - točka v prostoru, kjer se porušijo vsi zakoni fizike.

Sprva je ta koncept veljal za matematično zanimivost. Znanstveniki, vključno z Einsteinom, niso vedeli, da bi takšni predmeti lahko obstajali v naravi.

Toda 50 let kasneje, leta 1965,Roger Penrose, v sodelovanju z velikim teoretičnim fizikom in kozmologomStephen Hawking, je pokazala, da črne luknje res lahko obstajajo v naravi in ​​da lahko nastanejo s stabilnim in robustnim procesom. In v resnici so za nekatere zvezde črne luknje končna usoda, neizogiben izid zvezdnega kolapsa.

Pomembno delo Penrosea in Hawkinga je odprlo novo obdobje v študiji črnih lukenj. Penrosejevo delo je bilo tudi ključno pri prikazovanju, kako črne luknje oddajajo energijo skoziPenrosejev proces, v obliki curkov in izbruhov.

Vmes je bil fizikJohn Wheelerki je leta 1967 populariziral izrazČrna luknja. Wheeler je Einsteinove enačbe povzel kot:

Prostor-čas pove materi, kako se premikati; snov pove prostor-čas, kako se ukriviti.

Opazovanja črnih lukenj

Astronomi so odkrili prvo črno luknjo zvezdne mase-Cygnus X-1-šele po sredini 20. stoletja. Raketni let 1964 je razkril, da je Cygnus X-1 eden najmočnejših virov rentgenskih žarkov, ki so jih doslej videli z Zemlje. Do sedemdesetih let je večina astronomov verjela, da je Cygnus X-1 res črna luknja. Zdaj naj bi bila to črna luknja z maso 14,8 -krat večjo od našega sonca in obzorjem dogodkov s polmerom okoli 27 milj (44 km). To je v nasprotju s polmerom našega sonca približno 433.000 milj (696.000 km).

Črne luknje zvezdne mase je težko najti zaradi njihove mirujoče narave. Morda bodo prikazali kratke in nepredvidljive izbruhe, ko jim kakšen mimoidoči material udari na akrecijske plošče, nato pa bodo lahko desetletja utihnili.

Zato je bilo potrebno odkritjesupermasivnačrne luknje v središčih večine galaksij, vključno z našo lastno Mlečno potjo, da bi znanost o črnih luknjah dala pravi zagon.

Nejasna modra pika na levi, rdeč disk s plini, ki se vanj vlivajo iz velike modre zvezde.

Levo: Cygnus X-1, kot ga je opazil rentgenski observatorij Chandra. Desno: Umetnikov koncept črne luknje, ki nabira materijo iz svoje spremljevalne zvezde. Slika preko (levo) NASA/ CXC/ SAO; (desno) NASA/ CXC/ M.Weiss.

Supermasivne črne luknje

Danes astronomi verjamejo, da večina galaksij v svojih središčih skriva supermasivne črne luknje. Supermasivne črne luknje imajo mase, enakovredne milijonom do milijard sončnih mas, in naj bi nastale v središčih galaksij približno v času nastanka galaksije. Doslej je bilo opaženih več kot 100.000 kandidatov za supermasivno črno luknjo, veliko več kot število znanih črnih lukenj zvezdne mase.

Med številnimi opaženimi kandidati za črno luknjo se tisti v središču naše galaksije Rimska cesta imenuje Strelec A* (Sgr A*, izgovarja se Strelec A-zvezda). Dve neodvisni študiji, izvedeni v zadnjih 25 letih, pod vodstvomAndrea GhezinReinhard Genzel- skupni dobitniki polovice Nobelove nagrade za fiziko 2020 - preslikali zvezde, ki krožijo okoli nevidnega predmeta v središču naše Rimske ceste. Z uporabo zmogljivih teleskopov na observatoriju Keck na Havajih in zelo velikega teleskopa v Čilu so se ekipe osredotočile na eno zvezdo, imenovanoS0-2.S0-2 kroži bližje osrednji supermasivni črni luknji naše galaksije kot katera koli druga opazovana zvezda.

Poznavanje orbitalnega obdobja zvezde S0-2, njene zelo podolgovate eliptične orbite in razdalje najbližjega približevanja osrednji črni luknji naše galaksije so znanstvenikom omogočili izračun mase Sgr A* kot ekvivalenta 4 milijonom sončnih mas. Ekipi sta lahko opazovali dve polni orbiti zvezde S0-2 okoli osrednje črne luknje, kar je dodatno okrepilo njune trditve in z opazovanji tudi dokazalo, kar so Einstein, Schwarzchild in Penrose teoretično napovedali o črnih luknjah.

Barvni madeži, ena slika z eliptičnimi orbitami med madeži.

Regija okoli Strelca A* v središču naše galaksije. Levo: rentgenska slika (modra) in infrardeča svetloba (rdeča in rumena). Vložek (samo rentgenski) prikazuje vroč plin, ki ga ujame osrednja črna luknja, Sgr A*. Slika preko NASA/ UMass/ D.Wang et al./ NASA/ STScI. Desno: orbite zvezd v galaktičnem središču, opažene več kot 15 let. Slika preko Andrea Ghez/ UCLA Galactic Center Group.

Nadaljnja potrditev Einsteinove splošne teorije relativnosti se je zgodila, ko je 10. aprila 2019Teleskop Horizon Eventsodelovanje izdaloprva podoba črne luknjev relativno bližnji (po kozmičnih merilih) galaksiji, znani kotM87, vidno v ozvezdju Devica. Ogromna črna luknja v središču M87 tehta neverjetnih 6,5 milijard sončnih mas. Galaksijo M87 in njen znameniti curek - energijski odtok visokoenergijskih delcev iz njenega središča - so opazovali že več desetletij. Vendar je bil to prvi uspešen poskus neposrednega slikanja njene črne luknje. Na sliki je prikazan svetel obroč, ki nastane zaradi upogibanja svetlobe na meji obzorja dogodkov črne luknje, ki jo povzroči njeno izjemno gravitacijsko vlečenje.

Nadaljevanje teh opazovanj je prišlo septembra 2020, ko je sodelovanje s teleskopom Event Horizon objavilo več meritev črne luknje M87, opaženih v letih 2009, 2011, 2012 in 2013. Analiza teh opazovanj razkriva zanimive in vznemirljive informacije o vrtinčenju svetlega prstan, ki ga povzroči upogibanje svetlobe, in tudi značilnost, podobna polmesecu, za katero se zdi, da v času opazovanja spreminja svojo orientacijo in daje obroču videz nihanja.

Ti najnovejši rezultati ekipe Event Horizon Telescope so odprli novo okno za naše razumevanje fizike črnih lukenj in njihove gravitacije.

S tem novim znanjem in pojavom naprednejših zemeljskih in vesoljskih teleskopov in tehnologij v naslednjem desetletju smo na pragu nove, razburljive dobe raziskav fizike črnih lukenj in astronomije. Še vedno nimamo opazovalnih dokazov, ali normalna fizika velja v črnih luknjah. Prihodnja opazovanja črnih lukenj in njihove okolice bodo zelo verjetno močno prispevala k našemu razumevanju črnih lukenj in nam lahko prinesejo nove teorije v fiziki in astronomiji.

Serija meritev, opravljenih od leta 2009 do 2017, razkriva spreminjajočo se orientacijo črne luknje v središču M87.

Znana podoba črne luknje M87* (zgoraj desno) in modeli, ki temeljijo na podatkih, ki jih je prej (2009–2013, srednja vrstica) opazoval teleskop Event Horizon, sestavljen iz niza teleskopov. Premer vseh obročev je podoben, vendar se lokacija svetle strani razlikuje. Slika preko M. Wielgus/ D. Pesce/Sodelovanje teleskopa Event Horizon.

Zaključek: Nobelovo nagrado za fiziko 2020 so prejeli Roger Penrose, Reinhard Genzel in Andrea Ghez za prelomno delo pri opazovanju in teoriji črnih lukenj. Ta članek sledi zgodovini našega razumevanja črnih lukenj.