g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Yıldızlararası dev-süper kütleli kara delik

Giriş

Dünya sarı kumlarla dolu ve buğday ve bamya gibi temel mahsuller solup yok oldu.İnsanlar artık yıldızlı gökyüzüne eskisi gibi bakmıyor, hayal gücünün ve ilhamın patlamasına kapılmıyor, her gün azgın kum fırtınasının altında kalan birkaç şeyi geri sayıyor. . Bu, klasik bilim kurgu filmi Yıldızlararası'da sunulan dünyanın sonunun sahnesidir, ancak sonunda, bilgili kahraman Cooper, geleceğin yüksek teknolojisini astronomi, fizik, matematik ve kriptografi yoluyla kızına başarıyla iletti ve yerleşti. Yıldızlararası uygarlık insanlığı kurtardı.

Ancak bazıları, bu filmin gerçek baş karakterinin süper kütleli bir kara delik olan "Kagan Tuya" olduğunu, çünkü filmde sunduğu modelin bir yıl boyunca 30'dan fazla kişinin ve binlerce bilgisayarın çalışmasının sonucu olduğunu söylüyor. Film tarihinde sade ve unutulmaz bir karakter olmaya mahkum. Cooper solucan deliğinden geçip "Kagantuya" yı gördüğünde, süper kütleli kara deliğin gizemli ışığını takdir etmek için uçsuz bucaksız evrenden geçtik ve ışığın örtüsü altında insan onu düşünüyordu.

Şekil 1. Yıldızlararası geçişteki "Kagunduya" kara delik (resim kaynak ağı)

Yazar | Zhong Zhihao

Sorumlu Editör | Sun Lijun, Zuo Wenwen

Kara delik nedir?

1915'te Einstein, bize şunu söyleyen genel göreliliği önerdi: Kütlesi olan herhangi bir nesne, etrafındaki uzay ve zamanı bükecek ve ardından diğer nesnelerin yörüngesini etkileyecektir.Bu, yerçekiminin özüdür. Tıpkı Şekil 2'de tasvir edilen dünya gibi, evrenin devasa "perdesi" üzerine yerleştirildiğinde, "perde", dünyanın kütlesi nedeniyle çökecektir - yani dünyanın etrafındaki uzay-zaman eğimli hale gelir ve kavisli uzay-zaman belirler. Nesnenin yörüngesi. Bu şekilde, ayın neden dünyadan ayrılamadığını, ancak sabit bir döngü içinde dünyanın etrafında döndüğünü anlayabiliriz.

Şekil 2. Gök cisimleri zaman ve mekanı büküyor (resim kaynak ağı)

Einstein'ın genel görelilik teorisini önermesinden kısa bir süre sonra, aynı yılın Aralık ayında, Alman gökbilimci Karl Schwarzschild, küresel bir simetriyi tanımlayan yerçekimi alan denkleminin ilk kesin çözümünü veren bir mektup gönderdi. Yıldızın dışındaki uzay-zaman yapısı. Belirli bir madde kütlesi özel bir yarıçapa sıkıştırılırsa, zaman ve uzayın bu yarıçapta garip özellikler göstereceği sonucuna vardı - bu yarıçap daha sonra Schwarzschild yarıçapı olarak adlandırılacaktır.

Her gök cismi, karşılık gelen bir Schwarzschild yarıçapına sahiptir Eğer bir gök cismi tamamen Schwarzschild yarıçaplı kürenin içindeyse, yaydığı ışık kendi çekim kuvvetinden kaçamaz ve geniş evrende görünmez hale gelerek karanlık olur. Yıldızlar kara deliklerdir. Schwarzschild yarıçapı kara deliğin ufkudur ve kara deliğin ufkuna giren hiçbir madde kaçamaz. Dünyamız için "Schwarzschild yarıçapı" yaklaşık 9 mm.Yani dünya bu kadar küçük bir boyuta sıkıştırılırsa kara delik haline gelecektir. Güneş için bu yarıçap yaklaşık 3 kilometredir.

Şekil 3. Bir nesnenin "Schwarzschild yarıçapı" kütlesiyle orantılıdır (resim kaynak ağı)

Evrende herkesin aşina olabileceği bir tür kara delik vardır, yıldızlardan evrimleşmiştir. Tüm yıldızların belirli bir yaşam süresi vardır ve nihai kaderi, kütleleriyle yakından ilgilidir. Güneşin kütlesi Samanyolu'nda o kadar büyük değil, daha sonraki yıllarda kırmızı bir dev olacak ve sonunda beyaz bir cüce olacak ve hayatını tamamlayacak. Ama bir yıldızın kütlesi güneşin kütlesini 10 kat veya daha fazla aşarsa, hayatını muhteşem bir şekilde sonlandıracaktır.Bu bir süpernova patlamasıdır - şiddetli bir patlamayla yıldızın dış tabakası evrene fırlatılır. Derinlerde, iç malzeme çöktü. Bir zamanlar bir süpernova patlamasının nihai ürününün, nötronlardan oluşan çok yoğun bir gök cismi olan bir nötron yıldızı olduğu düşünülüyordu. 1939'da Amerikalı fizikçi Oppenheimer yıldızların çöküşünü incelerken, bir süpernova patlamasıyla üretilen bir nötron yıldızının kütlesi belirli bir kritik değeri aşarsa, kaçınılmaz olarak kendi çekim kuvveti altında çökmeye devam edeceğini keşfetti. Kendi Schwarzschild yarıçapına düşerek bir kara delik haline gelir.

Ama bugünkü tartışmamızın kahramanı-- Süper Kütleli Kara Delik (Süper Kütleli Kara Delik), bir yıldızın çökmesiyle oluşması imkansız Bu tür bir kara deliğin kütlesi çok büyüktür, güneş kütlesinin milyonlarca hatta on milyar katına ulaşabilir ve genellikle büyük galaksilerin merkezinde yer alır. Şekil 5'teki bu güzel gökadaya, Meksika fötr şapka gibi görünen Sombrero gökadası denir. Bu "Hasır Şapka Gökadası" nın merkezinde güneş kütlesinin yaklaşık 1 milyar katı bir kara delik var.

Şekil 4. Sombrero galaksisi (resim kaynak ağı)

Süper kütleli kara deliklerin keşfi - kuasar merkezleri parlıyor

1960'ların başlarında, gökbilimciler "kuasarlar" adı verilen bir gök cismi sınıfı keşfettiler. Kuasarlar, yıldızlara benzedikleri için isimlendirilen bir gökada türüdür. Bizden çok uzakta, ancak merkez alanları çok parlak, sıradan galaksilerin çok ötesinde. Yani soru şu: Bu kuasarların parlayan enerjisi nereden geliyor?

Gökbilimciler ilk önce güneşi düşündüler. 1930'larda, güneşin bu kadar uzun süre parlayıp ısınabilmesinin sebebinin, içinde meydana gelen nükleer füzyondan kaynaklandığına inanılıyordu. Fakat böylesine uzak bir kuasar için, merkezi bölge çok göz kamaştırıcı, nükleer enerji gerçekten yeterli mi? İnsanlar nükleer enerjinin verimliliğini hesapladılar ve sadece yıldızlara benzer nükleer füzyon sürecine güvenmenin kuasarların enerji salınımını desteklemek için yeterli olmadığını buldular Yerçekimi enerjisinin hesaplanması, gökbilimcileri yerçekimi enerjisinin salınım verimliliğinin nükleer enerjiden çok daha büyük olduğuna ikna etti. Başka bir deyişle, bir kuasarın enerjisi, merkez bölgesinin çekim kuvvetinden gelir. Ve böylesine büyük bir yerçekimi enerjisi üretmek için, Kuasarın merkez bölgesinde çok büyük bir adam olmalı ve bu merkezi alanın ölçeği büyük değil - süper kütleli kara delikler en mantıklı açıklama haline geliyor.

Fakat kara deliğin yaydığı ışık ufuktan gözlemlenemeyeceğine göre, kuasarın merkezindeki ışıklı madde nedir? Aslında evrende çok miktarda dağıtıcı madde vardır.Kara deliğin büyük çekim kuvveti nedeniyle madde kuasarın merkezine düşer.Bu süreçte maddenin çekimsel potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür ve hareket hızı gittikçe hızlanır ve aynı zamanda daha sıkı ve daha sıkıdır. Ufuk çizgisinin dışında bir "toplama diski" oluşur. Bu maddeler, biriktirme diskinde ışık hızına yakın bir hızda birbirine sürtünür, ısı üretir ve ışıltılı ışık yayar. Bu şekilde kuasarlar, kendi çekim enerjilerini ışık enerjisine dönüştürür ve aynı zamanda çeşitli diğer bantların elektromanyetik dalgalarını yayarlar. Süper kütleli kara delik, bir bilgelik devi gibidir, evrenin perde arkasına gizlenmiş olmasına rağmen, göz kamaştırıcı ışığı güçlü potansiyel alanından gizleyemez.

Şekil 5. Bir süper kütleli kara deliğin birikme diski (resim kaynağı wikipedia)

Süper kütleli kara deliği gözlemleyin - "devin" kütlesini belirleyin

Astronominin gelişmesiyle birlikte gökbilimciler, kuasarlara ek olarak, birçok galaksinin merkezinde süper kütleli bir kara delik olduğunu ve Samanyolu'nun da bir istisna olmadığını keşfettiler. Peki gökbilimciler süper kütleli kara deliğin kimliğini belirlemek için kara deliğin kütlesini nasıl biliyorlar?

Güneş sistemimiz, Samanyolu'nun merkezinden yaklaşık 25.000 ışıkyılı uzaklıkta, Samanyolu'nun çevresinde yer almaktadır. Gökbilimciler, Samanyolu'nun merkezini doğrudan yoğun yıldızlararası tozdan gözlemlemek için kızılötesi banttaki teleskopları kullanırlar. Aşağıdaki fotoğrafta Samanyolu'nun merkezindeki küçük bir alanda tüm yıldızların aynı merkezi gök cismi etrafında yüksek hızlarda hareket ettiğini görebiliriz.Yıldızların hızı doğrudan yıldızların yörüngesine bakılarak belirlenebilir. Yıldız ile Samanyolu galaksisinin merkezi arasındaki mesafe, gökbilimciler, merkezi nesnenin kütlesinin güneş kütlesinin yaklaşık dört milyon katı olduğunu hesapladılar. Bu nedenle, doğrudan gözlemler ve kızılötesi teleskoplarla yapılan hesaplamalar sayesinde, Samanyolu'nun merkezinde, Güneş'in dört milyon katı büyük kütleli bir kara delik olduğunu bilebiliriz.

Şekil 6. Samanyolu merkezinin yüksek çözünürlüklü gözlemi

Samanyolu dışındaki uzak galaksiler için, teleskoplar artık tek tek yıldızları ayırt edemez, ancak süper kütleli bir kara delik olup olmadığını belirlemek için yıldız kümelerinin hareketini kullanabiliriz. Aynı ilkeye göre, bu yıldız kümelerinin galaksinin merkezinden uzaklığını ve hareket hızını bildiğiniz sürece, merkezi gök cisiminin kütlesini hesaplayabilirsiniz.

Peki yıldız kümesinin hızını nasıl biliyorsunuz? Cevap, yıldız kümesi tarafından yayılan ışığın dalga boyunu ölçmektir. Bir yıldız kümesi "Doppler etkisi" nedeniyle bize yaklaştığında veya bizden uzaklaştığında, aldığımız ışığın dalga boyu değişecek, böylece görüş hattı yönündeki hareketinin hızını hesaplayabiliriz. Bununla birlikte, galaksinin merkezi ile aralarındaki mesafeyi ölçmek için, teleskopun çözünürlüğüne yüksek gereksinimler getirilmektedir.Bu zor görev Hubble Teleskobu'na (HST) düşmektedir. Çoğu zaman astronomik gözlemler yerde yapılır ve gözlem etkisi atmosferik türbülanstan etkilenir. Hubble teleskopu dünya atmosferinin üstündedir. Topladığı görüntüler bu paraziti önleyebilir, bu nedenle Hubble inanılmaz yüksek çözünürlüklü görüntüleme yeteneklerine sahiptir.

Süper kütleli kara delikleri keşfedin - doğrusal ilişkileri keşfedin

On yıldan daha uzun bir süre önce, gökbilimciler galaksi ve merkezi kara deliğin verilerini bir araya getirmeye çalıştılar ve eğer galaksi çekirdeğinin kütlesi (galaksi çekirdeğinin en parlak alanı, bazen galaksinin kendisi olarak anılır) x ekseninde çizilirse keşfettiler. Y ekseni, merkezi kara deliğin kütlesini çizer. İkisi aslında çok katı bir doğrusal ilişki gösterir. Kürenin kütlesi ne kadar büyükse, merkezi kara deliğin kütlesi de o kadar büyük olur.

Şekil 7. Gökada kütlesi (nükleer toplar) ile süper kütleli kara delikler (resim kaynağı ağı) arasındaki korelasyon

Gökbilimciler için tutarlı bir doğrusal ilişkinin keşfi çok heyecan vericidir. Merkezdeki kara deliğin kütlesi ile galaksinin çekirdek topunun kütlesi arasında bu kadar güçlü bir korelasyon varsa, bu, galaksi ve merkezdeki kara deliğin birbirini etkileyeceği, hatta birlikte evrimleşeceği anlamına gelir. Bu gerçekten şaşırtıcı, çünkü süper kütleli kara delikler gerçekten "süper kütle" olmalarına rağmen, galaksinin kütlesinin sadece binde biri olan tüm galaksiye kıyasla hala önemsizdirler. Bu nedenle, galaksiler, merkezdeki kara deliğin çekimini güçlükle "hissedebilirler". Öyleyse ikisi arasındaki doğrusal ilişki nereden geliyor?

Bu, astronomi topluluğunda sıcak bir konu haline geldi ve araştırmacılar bu konu etrafında çeşitli varsayımlar öne sürdüler. Sonunda, şimdiye kadarki en makul açıklamaya herkes katıldı: Galaksilerin evrimini etkileyen kara delik birikiminin neden olduğu "jetler" dir. Kara deliğin kütlesi çok büyük olmasa da, kara delik tarafından büyük miktarda madde biriktiğinde yoğun ve sıcak bir birikim diski oluşacak ve yığılma diskinin güçlü radyasyonu çevreleyen maddeyi "uçuracaktır". Hatta "savrulan" madde, muhteşem bir "jet" oluşturarak sürekli radyasyon teşviki altında ışık hızına yaklaşacak şekilde hızlandırılabilir. Bu jet galaksinin ölçeğinin çok ötesine, bazen de ötesine uzanarak galaksinin evrimini etkileyebilir. Örneğin, yıldız oluşumunun kendi çekim kuvvetinin etkisi altında büyük miktarda gazın birlikte çökmesini gerektirdiğini ve "jet" in tüm gazı "üfleyebileceğini" ve galaksideki yıldız oluşumunu engelleyebileceğini biliyoruz. Kara deliğin kendisinin büyümesini etkiler.

Geçici olarak "düşük anahtar" olan ve henüz jetler oluşturmamış olan kara delikler için, tüm galaksinin evrimini de etkileyebilirler. Galaksiler arasındaki birleşme, bu kara delikleri "tutuşturabilir" - iki galaksi yaklaşmaya başladığında, yerçekimi, gaz malzemelerinin yıldızları oluşturmak için merkezde toplanmasına neden olur ve birleştirilmiş kara deliğe büyük miktarda gaz düşer ve başlangıçta aktif olmayan karadelik emer. Büyük miktarda madde biriktirdikten sonra, inanılmaz enerjisini evrene salmaya başladı. Bu enerji galaksiler için felakettir, yıldızların büyümesini durduracak ve galaksilerin "ölmesine" neden olacaktır. Şu anda kara deliğin kendisi büyümeyi durdurabilir.

Süper kütleli kara deliklerin oluşumu

Yıldız kara deliklerinin büyük yıldızların çökmesiyle oluşabileceğini zaten biliyoruz ve ayrıca gözlemler ve hesaplamalar yoluyla süper kütleli kara deliklerin kütlesini de çıkarabiliriz. Peki galaksinin merkezindeki süper kütleli kara delik nasıl oluştu?

Daha doğal bir fikir şudur: Daha az birikerek daha fazla biriktirin - küçük kara delikler çevreleyen maddeyi biriktirdikçe büyümeye devam eder ve sonunda "büyük bir Mac" olur. Böyle küçük kara delikler diyoruz " Tohum kara deliği "İnsanlar, evrenin ilk günlerinde tohum kara deliklerinin var olduğunu düşünüyor. O zamanlar, evrende neredeyse sadece iki element vardı, hidrojen ve helyum, bu dönemde oluşan ilk nesil yıldızların kütlesinin kütlenin yüz katına kadar çok büyük olmasına neden olacaktı. Güneşin kütlesi, yakıtın çökmesiyle oluşan kara delik, güneş kütlesinin onlarca hatta yüzlerce katına ulaşabilir.Aynı zamanda erken evrendeki gaz kümeleri de yerçekimi etkisi altında toplanabilir, yıldız aşamasını atlayabilir ve doğrudan gaz kümelerinden çökebilir. Kara delik Bu şekilde oluşan tohum kara delik daha büyük bir kütleye sahiptir ve güneş kütlesinin binlerce ila on binlerce katına ulaşabilir.

İlginç bir şekilde, bilim adamları, evrenin doğumundan bir milyar yıl sonra bile, güneşin kütlesinin milyarlarca katı kütleye sahip kara delikler olduğunu keşfettiler. Ancak yukarıdaki yönteme göre büyüyen tohum kara deliğinin bu boyuta büyümesi için yeterli zamanı yoktur. Bu nedenle, maddeyi yutarak kütlesini dürüstçe artırmanın yanı sıra, süper kütleli kara deliklerin başka kütle büyüme mekanizmalarına sahip olması gerekir. Galaksilerin birleşmesi, insanlığın daha doğal bir başka fikridir. Bu doğru, tıpkı biz insanlar gibi galaksiler de arkadaş edinmek ister, onlar da bir tür "girişken hayvanlar" olabilir çünkü yerçekimi onları her zaman bir araya getirir. Erken evrende, galaksiler arasında birleşme olağandışı bir durum olmayabilir. Ve hemen hemen her büyük galaksinin merkezinde süper kütleli bir kara delik bulunur. Yani bu süreçte kara delikler daha büyük kütleli bir kara delik oluşturmak için birleşebilir.

Şekil 8. Süper kütleli kara deliklerin birleşmesi (resim kaynağı ağı)

Bu çok etkileyici bir fenomendir.Eğer süper kütleli kara deliklerin gerçekten birleşmesi varsa, devasa enerji kütleçekim dalgaları üretecek, bu da uzay-zaman dalgalarının evrene girmesine ve insanların algılama menziline girmesine neden olabilir. Ancak bu, LIGO tarafından tespit edilen yüksek frekanslı sinyallerden farklıdır.Güneşin yüz bin hatta bir milyon katı kütleye sahip kara delikler için, yerçekimi dalgası döngüleri saniyeler yerine birkaç yıl kadar uzun olabilir. Ek olarak, galaksideki büyük miktarda gaz nedeniyle, galaksi ölçeğindeki bu birleşmeye bol miktarda elektromanyetik sinyal eşlik edecek. İnsanlar, süper kütleli kara deliklerin birleşmesinden gelen sinyalleri algılamayı dört gözle bekliyorlar.

Yıldızlara hasret

Son yıllarda Çin, temel bilimsel araştırmalara giderek daha fazla yatırım yaptı ve astronomiye daha fazla önem verdi. Guizhou'da kısa bir süre önce tamamlanan 500 metrelik FAST teleskop, dünyadaki en büyük radyo teleskopudur. Çin aynı zamanda 6 milyar Euro'ya mal olan "SKA" radyo teleskopunun da üyesidir. Hem "SKA" hem de "HIZLI", kara delik birleşmelerinden kaynaklanan yerçekimi dalgalarını tespit etmek için pulsar zamanlamasını kullanan önde gelen cihazlar olacak. İnsanlığın ufkunu evrenin kenarına kadar uzatabilecek Hawaii'de inşa edilecek dev bir teleskop olan 30 metrelik teleskop projesine Çin de katılan bir ülke. Evrenin keşfi, teleskop teknolojisinin gelişiminden ayrılamaz ... Astronomi üzerine çalışan bir Çinli olarak bu çağda yaşamak çok şanslı.

Yukarıya baktığımızda, bu yıldızlı gökyüzü bize yaklaşıyor ve yaklaşıyor gibi görünüyor, ancak bir perdeyi kaldırdığımızda, her zaman daha gizemli bir yüz gösteriyor. İnsanlar neden evreni yorulmadan keşfetmeli? Kaşif George Mallory'den bir alıntı ödünç almak gerekirse: "Çünkü orada."