Kara delik sabit mi yoksa dönüyor mu? Gerçekte ne tür kara delikler var? Özellikleri nelerdir?
Bir kara deliğin tekilliği nasıl dönüyor?
Bir yıldız dönüp çökerse, açısal momentumuna ne olur?
Resim: Bir biriktirme diski, manyetik alan ve kara deliğin ufkunun dışında malzeme atımı olan bir kara deliğin simüle edilmiş görüntüsü. Ancak şimdiye kadar elde edilen sabit disklerin klasik görüntüleri yalnızca dönmeyen karadelikler için geçerlidir. Ufkun kendisine yakınsanız, dönen, gerçek kara delikler sizi bazı büyüleyici ve yeni fiziksel fenomenler hakkında düşünmeye sevk edecektir. (Fotoğraf kaynağı: M. WEISS / CFA)
Evrende bir kara delik oluşturmanın en yaygın yolu, devasa bir yıldızı yaşamının sonuna getirmek ve felaket bir süpernovada patlatmaktır. Bununla birlikte, bir yıldız dışarıda patladığında ve çekirdeği çöktüğünde, önceki yıldızın kütlesi yeterince büyükse, bir kara delik oluşacaktır. Ancak gerçekte çoğu yıldız (güneş dahil) döner. Bu nedenle, tek bir noktaya çökmemeleri gerekir - çünkü açısal momentum korunur. Bütün bunlar nasıl çalışıyor? Aaron Weiss'in bilmek istediği tam olarak bu, diye sordu:
Bir yıldız kara deliğe çöktüğünde açısal momentum nasıl korunur?
Kara delik dönüşü için ne anlama geliyor?
Eğirme nedir?
Tekillik nasıl dönüyor?
Sıkma hızı için bir "hız sınırı" var mı?
Ve dönüş, ufkun ve çevresinin boyutunu nasıl etkiler?
Bunların hepsi güzel sorular. Birlikte öğrenelim.
Örnek: Dünyanın güneş etrafındaki kütleçekimsel davranışı görünmez bir yerçekimi hareketinden kaynaklanmıyor, ancak daha doğru bir tanımlama "Dünya güneşin hakim olduğu kavisli bir alana serbestçe düşüyor" olmalıdır. İki nokta arasındaki en kısa mesafe düz bir çizgi değil, jeodezik bir çizgidir: zaman ve uzayın yerçekimsel deformasyonu ile tanımlanan bir eğridir. (Fotoğraf kaynağı: LIGO / T. PYLE)
Einstein yerçekimi teorisi "Genel Görelilik" i ilk önerdiğinde, zaman ve uzay arasında ayrılmaz bir bağlantı kurdu.Bu bağlantı, evrenimizin yapısını ve içinde var olan tüm madde ve enerjiyi temsil eder. Yerçekimi, anladığımız şekliyle uzayın eğriliği ve madde ile enerjinin uzay ve zamanda hareket ederken eğriliğe tepki verme şeklidir. Madde ve enerji, uzay-zamanın nasıl büküleceğini belirler ve kavisli uzay, maddenin ve enerjinin nasıl hareket ettiğini belirler.
Hemen ardından, Einstein böyle bir resmin garip bir sonuç getireceğini, mevcut evrenimizle uzlaşmanın zor olduğunu fark etti: Maddeyle dolu bir evren istikrarsızdır. Genel olarak, tekdüze miktarda sabit maddeyle dolu bir boşluğunuz varsa (şekli, boyutu veya miktarı ne olursa olsun), tamamen küresel bir kara delik oluşturmak için kaçınılmaz olarak çökecektir.
Örnek: Genişlemesiz bir evrende, onu istediğiniz herhangi bir yapıya sahip sabit maddeyle doldurabilirsiniz, ancak her zaman bir kara deliğe dönüşecektir. Einstein'ın evrensel çekim durumunda, böyle bir evren istikrarsızdır ve istikrarlı bir duruma ulaşmak için genişlemesi gerekir, aksi takdirde onun kaçınılmaz kaderini kabul etmeliyiz. (Resim kaynağı: E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE)
Malzeme yeterince büyük bir kütleye ve yeterince küçük bir hacme dönüştüğünde, belirli bir yerde bir ufuk oluşturacaktır. Uzayın küresel alanı (yarıçapı iç kütle tarafından belirlenir) o kadar şiddetli bir eğrilik yaşayacaktır ki, iç sınırdan geçen ve iç sınıra ulaşan nesneler kaçamayacaktır.
Ufkun dışında, kuvvetli yerçekimi olan aşırı bir alan var gibi görünüyor, ancak ondan ışık veya madde yayılamıyor. Bununla birlikte, bir kara deliğe düşen herhangi bir nesne için, kaçınılmaz olarak kara deliğin tam merkezine getirilecektir: bir tekillik. Bu noktada fizik yasaları geçersiz olsa da - bazı fizikçiler alaycı bir şekilde tekilliğe "sıfıra bölünmüş Tanrı" diyorlar - ama ufuktan geçen tüm madde ve radyasyonun bu kategoriyi gösterdiğinden kimse şüphe duymaz. Noktanın uzamsal alanı.
Resim: Bir kara deliğin ufkunun dışında oldukça eğimli uzay-zamanın bir örneği. Kütle konumuna yaklaştıkça, uzay gittikçe daha kıvrımlı hale gelecek ve sonunda ışığın içeriden dışarıya kaçamayacağı bir konuma ulaşacaksınız: ufka. Konumun yarıçapı yalnızca kara deliğin kütlesi, ışık hızı ve genel görelilik tarafından belirlenir. Teoride, tüm kütlelerin durağan, küresel simetrik kara delik üzerinde yoğunlaştığı özel bir nokta, bir tekillik olmalıdır. (Fotoğraf kaynağı: PIXABAY USER JOHNSONMARTIN)
Bunu okuduktan sonra itirazlarınız olabilir. Sonuçta, bu kadar basit bir kütleçekimsel çöküşten gerçek evrenin işleyişi için birçok farklı senaryo var.
· Evrende, yerçekimi tek kuvvet değildir: madde ve enerji söz konusu olduğunda, nükleer enerji ve elektromanyetik alanların kuvveti de önemli bir rol oynar.
· Kara delikler, eşit olarak dağılmış maddenin çökmesiyle değil, nükleer füzyon devam edemediğinde büyük yıldızların çekirdeğinde patlamayla oluşur.
· Belki de en önemli şey, keşfettiğimiz tüm yıldızların dönüyor olması ve açısal momentumlarının her zaman korunmuş olmasıdır, bu nedenle kara delikler de dönüyor olmalıdır.
Öyleyse birlikte bir göz atalım: Yaklaşık ve basit bir alandan, bir kara deliğin işleyişinin daha gerçekçi gerçek resmine geçelim.
İllüstrasyon: 2016'da Merkür güneşi aştı, ancak güneş diskinde görülebilen büyük güneş lekeleri, ışık çıkışını daha büyük bir faktörle azalttı. Zamanla hareket eden güneş lekelerinin konumunu gözlemleyerek ve 25 ila 33 Dünya günü süren tam bir devrimi tamamlamak için ekvator ve kutuplardaki güneş lekelerini kullanarak, güneşin farklı bölgelerinin farklı dönüş hızlarına sahip olduğunu belirledik. (Kaynak: WILLIAMS KOLEJİ; GLENN SCHNEIDER, JAY PASACHOFF ve SURANJIT TILAKAWARDANE)
Tüm yıldızlar dönüyor. Güneşimiz çok yavaş dönen bir cisimdir. 360 ° dönüşü tamamlama süresi, izlediğiniz belirli güneş enlemine bağlı olarak 25 ila 33 gündür. Ama güneşimiz çok büyük ve yoğunluğu çok düşük ve evrende çok fazla aşırı gök cismi var, fiziksel boyutları ve kütleleri çok küçük. Tıpkı dönen bir patencinin kollarını ve bacaklarını geri çektiğinde hızlanması gibi. Göksel maddenin yarıçapı azalırsa, daha hızlı dönerler.
Güneş beyaz bir cüce yıldızsa - kütlesi değişmemişse, ancak fiziksel boyutu dünya ile yaklaşık aynıysa - o zaman her 4 dakikada bir dönecektir.
Bir nötron yıldızı haline gelirse - kütlesi değişmeden kalır ve yarıçapı 20 km olur - her 2,4 milisaniyede bir döner: bu gözlemlediğimiz en hızlı pulsarın hızıyla tutarlıdır.
Örnek: Nötron yıldızları, evrendeki en yoğun madde koleksiyonlarından biridir, ancak kütlelerinin bir üst sınırı vardır. Bu üst sınırın ötesinde, nötron yıldızı daha da çökerek bir kara delik oluşturacak. Keşfettiğimiz en hızlı dönen nötron yıldızı, saniyede 766 kez dönen bir pulsar: dönüş hızı, güneşin bir nötron yıldızı boyutuna düştüğünü varsaydığımız zamankinden daha hızlı olacak. (Fotoğraf kaynağı: ESO / LUÍS CALÇADA)
Başka bir deyişle, yıldızımız (veya herhangi bir yıldız) bir kara deliğe düşerse, yine de açısal momentumun korunmasına ihtiyacımız var. Bu evrendeki bir nesne dönerken, enerji ya da momentumu yaratamadığınız ya da yok edemediğiniz gibi, bu dönme durumundan da çıkamazsınız. Bir hedefi olmalı. Herhangi bir madde topluluğu ufuktan daha küçük bir yarıçapa çöktüğünde, açısal momentum da onun içinde hapsolacaktır.
Bu çözülebilir! Einstein, 1915'te genel görelilik teorisini önerdi ve sadece birkaç ay sonra, Karl Schwarzschild ilk doğru çözümü keşfetti: Bir kütle noktası için, küresel bir kara delik gibi dönme davranışına sahiptir. Bu problemi daha gerçekçi bir şekilde modellemenin bir sonraki adımı - bir kara deliğin sadece kütle yerine açısal momentuma da sahip olup olmadığı düşünüldüğünde - Roy Kerr'in doğru bir çözüm bulduğu 1963 yılına kadar gerçekleştirilmedi.
Çizim: 1963'te Roy Kerr, kütle ve açısal momentuma sahip bir kara delik için doğru bir çözüm buldu. Ortaya çıkardığı şey, nokta benzeri tekilliğe sahip tek bir ufuk değil, iç ve dış ufuk, iç ve dış enerji katmanı, artı oldukça geniş yarıçaplı halka şeklinde bir tekilliktir. (Resim kaynağı: MATT VISSER, ARXIV: 0706.0622)
Daha basit ve daha basit Schwarzschild'in çözümü ile daha gerçekçi ve karmaşık Kerr'in çözümü arasında bazı temel ve önemli farklılıklar vardır. Belirli bir sıra olmadan, işte bazı ilginç karşılaştırmalar: (Aşağıdaki Kerrin çözümüdür)
1. Ufuk konumunda tek bir çözüm yoktur Dönen bir kara deliğin iki matematiksel çözümü vardır: bir iç ufuk ve bir dış ufuk.
2. Dış ufkun dışında bile, enerji katmanı denen, uzayın kendisinin ışık hızına eşit bir dönüş hızında sürüklendiği ve oraya düşen parçacıkların büyük bir ivme yaşayacağı bir yer var.
3. Açısal momentumun kütleye maksimum oranının bir sınırı vardır; eğer açısal momentum çok büyükse, kara delik bu sınırın altına düşene kadar (yerçekimsel radyasyon yoluyla) enerji yayacaktır.
4. Belki de en ilginç şey, karadeliğin merkezindeki tekilliğin artık bir nokta değil, yarıçapı kara deliğin kütlesi ve açısal momentumu tarafından belirlenen tek boyutlu bir halka olmasıdır.
Örnek: Hubble Teleskobu tarafından çekilen görünür / yakın kızılötesi fotoğraflar, güneşin yaklaşık 25 katı kütleye sahip büyük bir yıldızın ortadan kaybolduğunu gösteriyor, ne bir süpernova ne de bir açıklama var. Doğrudan çöküş, tek makul aday açıklama ve aynı zamanda süpernova veya nötron yıldızı birleşmelerine ek olarak kara delikler oluşturmanın bilinen bir yoludur. (Fotoğraf kaynağı: NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))
Ufuk kavramını ilk yarattığınız andan itibaren, kara delik dönüşü hipotezi geçerlidir. Devasa bir yıldız, dönen çekirdeğin patladığı ve bir kara deliğe dönüştüğü bir süpernova haline gelebilir ve bunların hepsi gerçek olacaktır. Aslında, yerel galaksi grubumuzda bir süpernova kaybolursa, lazer girişim kütleçekim dalgası gözlemevinin, hızla dönen bir kara deliğin halka aşağı sinyalinden yerçekimi dalgalarını tespit etme olasılığı bile vardır.
Kara deliklerin nötron yıldızları ile nötron yıldızlarının birleşmesiyle veya yıldızların veya gaz bulutlarının doğrudan çökmesiyle oluşması mümkündür. Bununla birlikte, kara deliğiniz bir kez var olduğunda, yeni madde düştükçe açısal momentumu değişmeye devam edebilir. Yeni maddenin açısal momentumuna bağlı olarak ufkun boyutu büyüyebilir ve tekilliğin ve enerji ufkunun boyutu büyüyebilir veya küçülebilir.
Örnek: Açısal momentuma sahip gerçek bir kara delik uzayda sürüklenir ve döndürülür.Bu boşlukların özellikleri nedeniyle, dönmeyen bir kütlenin etrafında bir düzlem yörüngesi oluşturan tek bir parçacık, sonunda üç boyutlu uzayda devasa bir halka benzeri şekli işgal edecektir. (Resim kaynağı: MAARTEN VAN DE MEENT / WIKIMEDIA COMMONS)
Bu, beklemeyeceğiniz ilginç davranışlar üretecektir. Kara delik dönmediğinde, dışarıdaki malzeme parçacıkları yörüngeye girebilir, kaçabilir veya içeriye düşebilir ancak aynı düzlemde kalacaktır. Bununla birlikte, bir kara delik döndüğünde, tüm üç boyutlu uzay tarafından sürüklenecek ve aynı zamanda kara deliğin ekvatorunun etrafındaki dairesel bir alanı dolduracaktır.
Matematiksel çözüm ile fiziksel anlayış arasında da önemli bir fark vardır. Size portakalımın (4'ün karekökü) olduğunu söylersem, 2 portakalım olduğu sonucuna varacaksınız. Matematiksel olarak, muhtemelen -2 portakalım olduğu sonucuna varacaksınız, çünkü 4'ün karekökü muhtemelen +2 veya -2'dir. Ancak fizikte tek bir anlamlı çözüm vardır. Bununla birlikte, bilim adamlarının uzun süredir işaret ettiği gibi:
... İç ufuklara veya yasalara dayalı iç planlara inanmamalısınız. Kesin bir vakumun Einstein alan denklemlerine matematiksel bir çözüm olarak var olmalarına rağmen, iç ufukta bulunan bölgenin (Cauchy ufku olduğu kanıtlanabilir) çok dengesiz olduğundan şüphelenmek için yeterli fiziksel neden vardır. - Klasik dengesizlik bile - ve herhangi bir gerçek astrofizik çöküşünde oluşması imkansızdır.
(Not: Resim, animasyonlu bir GIF'tir)
Resim: Dönen bir kara deliğin gölgesi (siyah), ufku ve enerji katmanı (beyaz). Şekilde gösterildiği gibi a'nın miktarı, kara deliğin açısal momentumu ile kütlesi arasındaki ilişki ile ilgilidir. Ufuk teleskobu tarafından görülen kara deliğin gölgesinin, kara deliğin kendisinin ufkundan veya enerji katmanından çok daha büyük olduğuna lütfen dikkat edin. (Fotoğraf kaynağı: YUKTEREZ (SIMON TYRAN, VIENNA) / WIKIMEDIA COMMONS)
Ufuk Teleskobu'nun inanılmaz başarısı sayesinde, nihayet kara deliğin ufkunu ilk kez gözlemledik ve bilim adamları gözlemlerini teorik tahminlerle karşılaştırabildi. Farklı kütlelerin, dönüşlerin, yönlerin ve birikim materyali akışlarının kara delik sinyallerini ayrıntılı olarak açıklamak için çeşitli simülasyon programları çalıştırarak, gördükleri için en uygun sonuçları elde ettiler. Bazı önemli belirsizliklere rağmen, M87'nin merkezindeki kara delik şöyle görünüyor:
· Maksimum hızın% 94'ünde döndürün,
· Yaklaşık 118 astronomik birim (Plüton yörüngesinden daha büyük) çapında tek boyutlu bir halka tekilliği,
· Dönme ekseni ile dünya arasındaki açı yaklaşık 17 ° 'dir,
· Tüm gözlemler Kerr kara deliği ile tutarlıdır (Schwarzschild'den daha popüler).
Resim: Nisan 2017'de, Ufuk Teleskobu ile ilgili 8 teleskop dizisinin tümü M87'yi işaret etti. Bu, süper kütleli bir kara deliğin neye benzediğidir ve ufku açıkça görülebilir. Böyle bir görüntüyü oluşturmak için gerekli çözünürlüğü ancak çok uzun bir temel interferometri yoluyla elde edebiliriz ve bir gün çözünürlüğü yüzlerce kez artırabiliriz. Gölge, dönen (Kerr) kara delik ile çakışır. (Kaynak: EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.)
Bununla birlikte, belki de tüm bu sonuçların en anlamlısı, dönen bir uzay-zamanda, uzayın kendisinin herhangi bir hız sınırlaması olmaksızın hareket edebilmesidir. Sadece maddenin ve enerjinin uzaydaki hareketi ışık hızıyla sınırlıdır; uzayın kendisinin böyle bir hız sınırı yoktur. Kara delik döndüğünde, ufkun dışında bir uzay alanı vardır ve onun alanı, karadeliğin etrafında ışık hızından daha hızlı bir hızda sürüklenir ki bu gayet iyi. Madde, evrenin sınırını aşan bir hızda hala bu uzaydan geçemez, bunların tümü görelilik teorisi ve gözlemlediklerimiz ile tutarlıdır.
Giderek daha fazla kara delik görüntülendikçe ve daha fazla gözlem geliştirildikçe, gerçek dönen kara deliklerin fiziği hakkında daha fazla şey öğrenmeyi tamamen umuyoruz. Ancak ondan önce, teorilerimizin ve gözlemlerimizin bizi son derece derin, içsel olarak tutarlı bir yöne götürdüğünü ve en önemlisi şu anda sahip olduğumuz gerçek durumun en doğru tahminleri olduğunu bilmemiz gerekir.
Referans
1. Wikipedia Ansiklopedisi
2. Astronomik terimler
3. BlessedFuego- Viva-Ethan Siegel
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden basım için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
