science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe zwarte gaten werken

Zwart gat afbeeldingengalerij Artistiek concept van de nabije omgeving van het zwarte gat in de kern van sterrenstelsel NGC 4261. Bekijk meer afbeeldingen van zwarte gaten. Foto met dank aan NASA/Space Telescope Science Institute (J. Gitlin, artiest)

Misschien heb je iemand horen zeggen:"Mijn bureau is een zwart gat geworden!" Misschien heb je een astronomieprogramma op televisie gezien of een tijdschriftartikel over zwarte gaten gelezen. Deze exotische objecten spreken tot onze verbeelding sinds ze werden voorspeld door Einstein's Algemene relativiteitstheorie in 1915.

Wat zijn zwarte gaten? Bestaan ​​ze echt? Hoe kunnen we ze vinden? In dit artikel, we zullen zwarte gaten onderzoeken en al deze vragen beantwoorden!

Inhoud
  1. Wat is een zwart gat?
  2. Soorten zwarte gaten
  3. Hoe we zwarte gaten detecteren

Wat is een zwart gat?

Kunstenaarsconcept van een zwart gat:De pijlen tonen de paden van objecten in en rond de opening van het zwarte gat. Foto met dank aan NASA

EEN zwart gat is wat er overblijft als een massieve ster sterft.

Als je Hoe sterren werken hebt gelezen, dan weet je dat een ster enorm is, verbazingwekkend fusie reactor . Omdat sterren zo massief zijn en gemaakt van gas, er is een intens zwaartekrachtsveld dat altijd probeert de ster in te storten. De fusiereacties die plaatsvinden in de kern zijn als een gigantische fusiebom die probeert de ster te laten ontploffen. De evenwicht tussen de zwaartekrachten en de explosieve krachten bepaalt de grootte van de ster.

Als de ster sterft, de kernfusiereacties stoppen omdat de brandstof voor deze reacties opbrandt. Tegelijkertijd, de zwaartekracht van de ster trekt materiaal naar binnen en drukt de kern samen. Terwijl de kern samendrukt, het warmt op en creëert uiteindelijk een supernova-explosie waarbij het materiaal en de straling de ruimte in schieten. Wat overblijft is de sterk gecomprimeerde, en extreem massief, kern. De zwaartekracht van de kern is zo sterk dat zelfs licht niet kan ontsnappen.

Dit object is nu een zwart gat en verdwijnt letterlijk uit het zicht. Omdat de zwaartekracht van de kern zo sterk is, de kern zinkt door het weefsel van ruimte-tijd, een gat in de ruimte-tijd creëren -- daarom heet het object a zwart gat .

De kern wordt het centrale deel van het zwarte gat, de singulariteit . De opening van het gat heet de gebeurtenishorizon .

Je kunt de waarnemingshorizon zien als de monding van het zwarte gat. Zodra iets de gebeurtenishorizon passeert, het is voorgoed weg. Eenmaal binnen de gebeurtenishorizon, alle "gebeurtenissen" (punten in ruimte-tijd) stoppen, en niets (zelfs licht) kan ontsnappen. De straal van de gebeurtenishorizon wordt de genoemd Schwarzschild straal , vernoemd naar astronoom Karl Schwarzschild, wiens werk leidde tot de theorie van zwarte gaten.

Geschiedenis

Het concept van een object waaruit licht niet kan ontsnappen (bijv. zwart gat) werd oorspronkelijk voorgesteld door Pierre Simon Laplace in 1795. Met behulp van Newton's Theory of Gravity, Laplace berekende dat als een object werd samengedrukt in een straal die klein genoeg was, dan zou de ontsnappingssnelheid van dat object sneller zijn dan de lichtsnelheid.

Soorten zwarte gaten

Kunstenaarsconcept van een zwart gat en zijn omgeving:de zwartgeblakerde cirkel is de waarnemingshorizon en het eivormige gebied is de ergosfeer. Foto met dank aan NASA

Er zijn twee soorten zwarte gaten:

  • Schwarzschild - Niet-roterend zwart gat
  • Kerr - Roterend zwart gat

De Schwarzschild zwart gat is het eenvoudigste zwarte gat, waarin de kern niet draait. Dit type zwart gat heeft alleen een singulariteit en een waarnemingshorizon.

De Kerr zwart gat, wat waarschijnlijk de meest voorkomende vorm in de natuur is, roteert omdat de ster waaruit hij is gevormd, aan het roteren was. Wanneer de roterende ster instort, de kern blijft draaien, en dit werd overgebracht naar het zwarte gat ( behoud van impulsmoment ). Het zwarte gat van Kerr heeft de volgende onderdelen:

  • singulariteit - De ingestorte kern
  • Gebeurtenishorizon - De opening van het gat
  • ergosfeer - Een eivormig gebied van vervormde ruimte rond de waarnemingshorizon (de vervorming wordt veroorzaakt door het ronddraaien van het zwarte gat, die de ruimte eromheen "sleept".)
  • statische limiet - De grens tussen de ergosfeer en de normale ruimte

Als een object in de ergosfeer het kan nog steeds uit het zwarte gat worden uitgeworpen door energie te winnen van de rotatie van het gat.

Echter, als een object de kruist gebeurtenishorizon , het zal in het zwarte gat worden gezogen en nooit ontsnappen. Wat er in het zwarte gat gebeurt, is onbekend; zelfs onze huidige natuurkundige theorieën zijn niet van toepassing in de buurt van een singulariteit.

Ook al kunnen we geen zwart gat zien, het heeft drie eigenschappen die kunnen of kunnen worden gemeten:

  • Massa
  • Elektrische lading
  • Rotatiesnelheid: (impulsmoment)

Vanaf nu, we kunnen de massa van het zwarte gat alleen betrouwbaar meten door de beweging van andere objecten eromheen. Als een zwart gat een begeleider heeft (een andere ster of schijf van materiaal), het is mogelijk om de rotatiestraal of de baansnelheid van het materiaal rond het onzichtbare zwarte gat te meten. De massa van het zwarte gat kan worden berekend met behulp van Kepler's Modified Third Law of Planetary Motion of rotatiebeweging.

Hoe we zwarte gaten detecteren

Hubble Space Telescope-opname van de kern van sterrenstelsel NGC 4261 Foto met dank aan NASA/Space Telescope Science Institute Credit:L. Ferrarese (Johns Hopkins University) en NASA

Hoewel we geen zwarte gaten kunnen zien, we kunnen de aanwezigheid ervan detecteren of raden door de effecten ervan op objecten eromheen te meten. De volgende effecten kunnen worden gebruikt:

  • Massaschattingen van objecten die in een baan om een ​​zwart gat draaien of in de kern spiraalsgewijs bewegen
  • Zwaartekrachtlenseffecten
  • uitgezonden straling

Massa

Veel zwarte gaten hebben objecten om zich heen, en door naar het gedrag van de objecten te kijken, kun je de aanwezigheid van een zwart gat detecteren. Vervolgens gebruik je metingen van de beweging van objecten rond een vermoedelijk zwart gat om de massa van het zwarte gat te berekenen.

Waar je naar zoekt is een ster of een schijf van gas die zich gedraagt ​​alsof er een grote massa in de buurt is. Bijvoorbeeld, als een zichtbare ster of schijf van gas een "wiebelende" beweging heeft of draait EN er geen zichtbare reden is voor deze beweging EN de onzichtbare reden een effect heeft dat lijkt te worden veroorzaakt door een object met een massa groter dan drie zonsmassa's ( te groot om een ​​neutronenster te zijn), dan is het mogelijk dat een zwart gat de beweging veroorzaakt. Vervolgens schat je de massa van het zwarte gat door te kijken naar het effect dat het heeft op het zichtbare object.

Bijvoorbeeld, in de kern van sterrenstelsel NGC 4261, er is een bruine, spiraalvormige schijf die ronddraait. De schijf is ongeveer zo groot als ons zonnestelsel, maar weegt 1,2 miljard keer zoveel als de zon. Zo'n enorme massa voor een schijf zou erop kunnen wijzen dat er een zwart gat in de schijf aanwezig is.

Zwaartekrachtlens

Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelde dat: zwaartekracht kan de ruimte buigen . Dit werd later bevestigd tijdens een zonsverduistering toen de positie van een ster eerder werd gemeten, tijdens en na de zonsverduistering. De positie van de ster verschoof omdat het licht van de ster werd afgebogen door de zwaartekracht van de zon. Daarom, een object met immense zwaartekracht (zoals een melkwegstelsel of een zwart gat) tussen de aarde en een object in de verte kan het licht van het verre object in een focus buigen, net als een lens kan. Dit effect is te zien in onderstaande afbeelding.

Deze afbeeldingen tonen de opheldering van MACHO-96-BL5 van telescopen op de grond (links) en de Hubble-ruimtetelescoop (rechts). Foto met dank aan NASA/Space Telescope Science Institute Credit:NASA en Dave Bennett (University of Notre Dame)

Op de afbeelding, de verheldering van MACHO-96-BL5 gebeurde toen a zwaartekracht lens tussen haar en de aarde is gegaan. Toen de Hubble-ruimtetelescoop naar het object keek, het zag twee afbeeldingen van het object dicht bij elkaar, wat duidde op een zwaartekrachtlenseffect. Het tussenliggende object was onzichtbaar. Daarom, er werd geconcludeerd dat er een zwart gat tussen de aarde en het object was gepasseerd.

Uitgezonden straling

Wanneer materiaal van een begeleidende ster in een zwart gat valt, het wordt verwarmd tot miljoenen graden Kelvin en versneld. De oververhitte materialen zenden röntgenstraling uit, die kan worden gedetecteerd door röntgentelescopen zoals het in een baan om de aarde draaiende Chandra X-ray Observatory.

De ster Cygnus X-1 is een sterke röntgenbron en wordt beschouwd als een goede kandidaat voor een zwart gat. Zoals hierboven afgebeeld, stellaire winden van de begeleidende ster, HDE 226868, materiaal op de accretieschijf rond het zwarte gat blazen. Als dit materiaal in het zwarte gat valt, het zendt röntgenstralen uit, zoals te zien op deze afbeelding:

Röntgenfoto van Cygnus X-1, genomen vanuit de baan rond de Chandra X-ray Observatory Foto met dank aan NASA/CXC

Naast röntgenfoto's, zwarte gaten kunnen ook materialen met hoge snelheden uitstoten om zich te vormen jets . Veel sterrenstelsels zijn waargenomen met dergelijke jets. Momenteel, er wordt gedacht dat deze sterrenstelsels superzware zwarte gaten (miljarden zonsmassa's) in hun centrum hebben die de jets produceren, evenals sterke radio-emissies. Een voorbeeld hiervan is het sterrenstelsel M87, zoals hieronder weergegeven:

Het is belangrijk om te onthouden dat zwarte gaten geen kosmische stofzuigers zijn - ze zullen niet alles opeten. Dus hoewel we geen zwarte gaten kunnen zien, er is indirect bewijs dat ze bestaan. Ze zijn in verband gebracht met tijdreizen en wormgaten en blijven fascinerende objecten in het universum.

Oorspronkelijk gepubliceerd:26 november, 2006

Veelgestelde vragen over zwart gat

Waar zijn zwarte gaten van gemaakt?
Een zwart gat is wat overblijft als een massieve ster sterft en zijn materie wordt samengeperst tot een ongelooflijk kleine ruimte.
Hoeveel zwarte gaten zijn er?
Wetenschappers schatten dat alleen al in de Melkweg, er zijn overal van 10 miljoen tot een miljard zwarte gaten.
Wat is het meest voorkomende type zwart gat?
Het zwarte gat van Kerr is waarschijnlijk de meest voorkomende vorm in de natuur.
Waar leiden zwarte gaten toe?
Als een object de waarnemingshorizon passeert, het zal in het zwarte gat worden gezogen en nooit ontsnappen. Wat er in het zwarte gat gebeurt, is onbekend; zelfs onze huidige natuurkundige theorieën zijn niet van toepassing in de buurt van een singulariteit.
Welke twee soorten zwarte gaten zijn er?
De twee soorten zwarte gaten zijn een Schwarzschild (een niet-roterend zwart gat) en een Kerr (een roterend zwart gat).

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe sterren werken
  • Hoe de zon werkt
  • Hoe de Hubble-ruimtetelescoop werkt
  • Hoe zonsverduisteringen werken
  • Hoe kometen werken
  • Hoe speciale relativiteit werkt
  • Hoe tijdreizen zal werken
  • Jupiter uitgelegd
  • Neptunus uitgelegd
  • Venus uitgelegd
  • Ons verbazingwekkende zonnestelsel

Meer geweldige links

  • Stel je het heelal voor:wat is de massa van Cygnus X-1?
  • Virtuele reizen naar zwarte gaten en neutronensterren
  • Zwarte gaten en neutronensterren
  • NASA's High Energy Astrophysics Science Archive Research Center:zwarte gaten
  • Relativiteitstheorie van Cambridge University:zwarte gaten

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Ethiek Research Paper Onderwerpen
  2. Waarom zijn de hersenen van mensen verschillend van grootte?
  3. Hoe een biologisch diagram te tekenen
  4. The Differences in Fraternal & Paternal Twins
  5. Hoe herstelt de huid?
  6. Wat is een positieve controle in de microbiologie?
  7. Hoe krijgen mensen stikstof in hun lichaam?
  8. Wat is de neurochemie van geluk?
  9. RNA-mutatie vs. DNA-mutatie

Wetenschap