Je! shimo nyeusi zina malipo? Shimo jeusi ndio kitu cha kushangaza zaidi katika ulimwengu. Suluhisho la Reissner-Nordström

Ni malipo gani ya umeme ya shimo nyeusi? Kwa mashimo nyeusi "ya kawaida" ya mizani ya angani swali hili ni la kijinga na lisilo na maana, lakini kwa shimo nyeusi ndogo ni muhimu kabisa. Wacha tuseme shimo jeusi dogo lilikula elektroni zaidi kuliko protoni na kupata chaji hasi ya umeme. Ni nini hufanyika wakati shimo jeusi lililochajiwa liko ndani ya chembe mnene?

Kuanza, hebu tukadirie takriban chaji ya umeme ya shimo jeusi. Wacha tuhesabu chembe zilizochajiwa zinazoanguka kwenye shimo nyeusi kuanzia mwanzoni mwa tiryampampation iliyosababisha kuonekana kwake, na tuanze muhtasari wa chaji zao za umeme: protoni - +1, elektroni -1. Fikiria hii kama mchakato wa nasibu. Uwezekano wa kupata +1 kwa kila hatua ni 0.5, kwa hivyo tuna mfano wa kawaida wa matembezi ya nasibu, i.e. malipo ya wastani ya umeme ya shimo nyeusi, iliyoonyeshwa kwa malipo ya msingi, itakuwa sawa na

Q = sqrt(2N/π)

ambapo N ni idadi ya chembe zilizochajiwa zinazofyonzwa na shimo jeusi.

Hebu tuchukue shimo jeusi tunalopenda la kilotoni 14 na tuhesabu ni chembe ngapi za chaji iliyokula.

N = M/m protoni = 1.4*10 7 /(1.67*10 -27) = 8.39*10 33
Kwa hivyo q = 7.31*10 16 malipo ya msingi = 0.0117 C. Inaweza kuonekana kidogo - malipo kama hayo hupita kwa sekunde kupitia filament ya balbu 20-watt. Lakini kwa malipo ya tuli, thamani sio mgonjwa (rundo la protoni zilizo na malipo ya jumla hupima nanograms 0.121), na kwa malipo ya tuli ya kitu cha ukubwa wa chembe ya msingi, thamani ni ya kutisha tu.

Wacha tuone kitakachotokea wakati shimo jeusi lililochajiwa linapoingia ndani ya vitu vizito kiasi. Kuanza, fikiria kesi rahisi - hidrojeni ya diatomiki ya gesi. Shinikizo litachukuliwa kuwa anga, na hali ya joto kuwa joto la kawaida.

Nishati ya ionization ya atomi ya hidrojeni ni 1310 kJ/mol au 2.18*10 -18 kwa atomi. Nishati ya dhamana ya covalent katika molekuli ya hidrojeni ni 432 kJ/mol au 7.18*10 -19 J kwa molekuli. Umbali ambao elektroni zinahitaji kuvutwa kutoka kwa atomi, tutachukua kama 10 -10 m, inaonekana kuwa ya kutosha. Kwa hivyo, nguvu inayofanya kazi kwenye jozi ya elektroni katika molekuli ya hidrojeni wakati wa ionization inapaswa kuwa sawa na 5.10 * 10 -8 N. Kwa elektroni moja - 2.55 * 10 -8 N.

Kwa mujibu wa sheria ya Coulomb

R = sqrt(kQq/F)

Kwa shimo nyeusi ya kilo 14 tuna R = sqrt (8.99 * 10 9 * 0.0117 * 1.6 * 10 -19 / 2.55 * 10 -8) = 2.57 cm.

Elektroni zilizokatwa kutoka kwa atomi hupokea kasi ya kuanzia ya angalau 1.40 * 10 32 m/s 2 (hidrojeni), ioni - angalau 9.68 * 10 14 m / s 2 (oksijeni). Hakuna shaka kwamba chembe zote za malipo zinazohitajika zitachukuliwa na shimo nyeusi haraka sana. Itakuwa ya kufurahisha kuhesabu ni kiasi gani cha chembe za nishati ya malipo ya kinyume kitakuwa na wakati wa kutupa kwenye mazingira, lakini kuhesabu viunga huvunjika :-(Sijui jinsi ya kufanya hivyo bila viunga :-(Kando, athari za kuona zitatofautiana. kutoka kwa umeme wa mpira mdogo hadi mpira wa moto mzuri kabisa.

Na dielectrics zingine, shimo nyeusi hufanya juu ya kitu kimoja. Kwa oksijeni radius ya ionization ni 2.55 cm, kwa nitrojeni ni 2.32 cm, kwa neon ni 2.21 cm, na kwa heliamu ni 2.07 cm. Kwa fuwele, ruhusa ni tofauti katika mwelekeo tofauti, na eneo la ionization litakuwa na sura tata. Kwa almasi, radius ya ionization ya wastani (kulingana na thamani ya meza ya kibali cha kudumu) itakuwa 8.39 mm. Nina hakika nilidanganya juu ya vitu vidogo karibu kila mahali, lakini mpangilio wa ukubwa unapaswa kuwa hivi.

Kwa hiyo, shimo nyeusi, baada ya kuingia ndani ya dielectric, haraka hupoteza malipo yake ya umeme, bila kuzalisha madhara yoyote maalum, isipokuwa kwa mabadiliko ya kiasi kidogo cha dielectri kwenye plasma.

Ikigonga chuma au plazima, tundu jeusi lililochajiwa lisilotulia hupunguza chaji yake mara moja.

Sasa hebu tuone jinsi malipo ya umeme ya shimo nyeusi huathiri kile kinachotokea kwa shimo nyeusi kwenye matumbo ya nyota. Katika sehemu ya kwanza ya mkataba, sifa za plasma katikati ya Jua zilitolewa tayari - tani 150 kwa kila mita ya ujazo ya hidrojeni ionized kwa joto la 15,000,000 K. Kwa sasa, tunapuuza heliamu kwa ujasiri. Kasi ya joto ya protoni chini ya hali hizi ni 498 km / s, wakati elektroni huruka kwa kasi ya karibu - 21,300 km / s. Kukamata elektroni ya haraka kama hiyo kwa mvuto ni karibu haiwezekani, kwa hivyo shimo nyeusi litapata haraka malipo chanya ya umeme hadi usawa ufikiwe kati ya kunyonya kwa protoni na kunyonya kwa elektroni. Hebu tuone ni aina gani ya usawa itakuwa.

Nguvu ya mvuto inayofanya kazi kwenye protoni kutoka upande wa shimo nyeusi

F p \u003d (GMm p - kQq) / R 2

Kwanza "electrospace" :-) kasi kwa nguvu hiyo hupatikana kutoka kwa equation

mv 1 2 /R = (GMm p - kQq)/R 2

v n1 = sqrt((GMm n - kQq)/mR)

Kasi ya pili ya "electrocosmic" ya protoni ni

v n2 = sqrt(2)v 1 = sqrt(2(GMm n - kQq)/(m n R))

Kwa hivyo, radius ya kunyonya ya protoni ni sawa na

R p = 2(GMm p - kQq)/(m p v p 2)

Vile vile, radius ya ngozi ya elektroni ni

R e \u003d 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)

Kwa protoni na elektroni kufyonzwa kwa nguvu sawa, radii hizi lazima ziwe sawa, i.e.

2(GMm p - kQq)/(m p v p 2) = 2(GMm e + kQq)/(m e v e 2)

Kumbuka kuwa madhehebu ni sawa, na punguza mlinganyo.

Gmm p - kQq = Gmm e + kQq

Kwa kushangaza, hakuna chochote kinategemea joto la plasma. Tunaamua:

Q \u003d GM (m p - m e) / (kq)

Tunabadilisha nambari na kwa mshangao tunapata Q \u003d 5.42 * 10 -22 C - chini ya malipo ya elektroni.

Tunabadilisha Q hii kuwa R p = R e na kwa mshangao mkubwa zaidi tunapata R = 7.80 * 10 -31 - chini ya radius ya upeo wa macho wa tukio kwa shimo letu jeusi.

IMEZUIWA MEDVED

Hitimisho ni usawa katika sifuri. Kila protoni iliyomezwa na shimo nyeusi mara moja husababisha kumeza kwa elektroni na malipo ya shimo nyeusi tena inakuwa sifuri. Kubadilisha protoni na ioni nzito haibadilishi chochote - malipo ya usawa hayatakuwa maagizo matatu ya ukubwa chini ya ile ya msingi, lakini moja, kwa nini?

Kwa hiyo, hitimisho la jumla ni kwamba malipo ya umeme ya shimo nyeusi haiathiri chochote kwa kiasi kikubwa. Na ilionekana kuvutia sana ...

Katika sehemu inayofuata, ikiwa hakuna mwandishi wala wasomaji wanaopata kuchoka, tutazingatia shimo nyeusi ndogo katika mienendo - jinsi inavyopita kwenye matumbo ya sayari au nyota na kula jambo kwenye njia yake.

Mwanadamu alipoanza kusoma anga, alikumbana na jambo la ajabu. Inaitwa "shimo nyeusi". Inatokea kwamba katika muda wa nafasi kuna kanda fulani yenye kivutio kikubwa cha mvuto. Matokeo yake, hata vitu vinavyotembea kwa kasi ya mwanga haviwezi kutoka ndani yake.

Tunazungumza juu ya quanta ya taa yenyewe. Maeneo haya ni meusi sana, yanachukua kila kitu karibu na kamwe hayaruhusu kwenda. Tunaweza tu kukisia juu ya asili na uwezo wao, na ukosefu wa habari juu ya jambo hili husababisha hadithi kadhaa.

Hadithi kuhusu shimo nyeusi

Albert Einstein alikuwa wa kwanza kutangaza kuwepo kwa mashimo meusi. Inaweza kuonekana, ni nani, ikiwa sio mwanasayansi huyu mkuu, mtaalamu wa wakati na nafasi, anapaswa kutangaza kuwepo kwa mashimo nyeusi? Kwa kweli, hakuwa wa kwanza kufanya dhana kama hiyo, lakini John Mitchell. Hii ilitokea nyuma mnamo 1783, wakati Einstein aliunda nadharia yake mnamo 1916. Walakini, katika siku hizo, nadharia hiyo iligeuka kuwa haijadaiwa, kasisi wa Kiingereza Mitchell hakupata maombi yake. Yeye mwenyewe alianza kufikiria juu ya shimo nyeusi, akikubali nadharia ya Newton ya asili ya mwanga. Katika siku hizo, iliaminika kuwa ina chembe ndogo zaidi za nyenzo, fotoni. Akifikiria juu ya harakati zao, Mitchell aligundua kuwa inategemea kabisa uwanja wa mvuto wa nyota kutoka mahali ambapo chembe huanza safari yao. Mwanasayansi huyo alijiuliza nini kingetokea kwa fotoni ikiwa uwanja wa mvuto ulikuwa mkubwa sana hivi kwamba hautoi mwanga hata kidogo. Inafurahisha, ni Mitchell ambaye anachukuliwa kuwa mwanzilishi wa seismology kama tunavyoijua. Kasisi wa Kiingereza alikuwa wa kwanza kupendekeza. Matetemeko hayo yalienea juu ya uso kama mawimbi.

Nyota nyeusi hazichukui nafasi. Nafasi inaweza kuzingatiwa kama karatasi ya mpira. Kisha sayari itakuwa aina fulani ya mipira ambayo kuweka shinikizo juu yake. Matokeo yake, deformation hutokea, na mistari ya moja kwa moja hupotea. Hivi ndivyo mvuto unavyoonekana, ambayo inaelezea harakati za sayari karibu na nyota. Kwa kuongezeka kwa wingi, deformation huongezeka tu. Usumbufu wa ziada wa shamba huonekana, ambao huamua nguvu ya kivutio. Kasi ya obiti inaongezeka, ambayo inamaanisha harakati za haraka zaidi za miili karibu na kitu. Kwa mfano, sayari ya Mercury inazunguka Jua kwa kasi ya 48 km / s, na nyota husogea angani karibu na mashimo meusi mara 100 haraka! Katika kesi ya nguvu kali ya mvuto, mgongano kati ya satelaiti na vitu vikubwa inawezekana. Na misa hii yote inaelekea katikati - kwa shimo nyeusi.

Shimo nyeusi zote ni sawa. Inaonekana kwa wengi wetu kuwa neno hili ni la vitu ambavyo kimsingi ni sawa. Walakini, wanaastronomia wamefikia hitimisho kwamba shimo nyeusi zina aina kadhaa. Kuna mashimo yanayozunguka, mengine yana chaji ya umeme, na kuna wale ambao wana sifa zote mbili. Kwa kawaida, vitu vile huonekana kwa kunyonya vitu, wakati shimo nyeusi inayozunguka inaonekana wakati mbili za kawaida zinaunganishwa. Miundo kama hiyo, kwa sababu ya kuongezeka kwa usumbufu wa nafasi, huanza kutumia nishati zaidi. Shimo jeusi lililochajiwa hugeuka na kuwa kiongeza kasi cha chembe moja kubwa. Mfano mzuri wa kitu cha darasa hili ni GRS 1915+105. Shimo hili jeusi linazunguka kwa kasi ya mapinduzi 950 kwa sekunde, na liko umbali wa miaka 35,000 ya mwanga kutoka kwa sayari yetu.

Uzito wa shimo nyeusi ni mdogo. Vitu hivi, kwa ukubwa wao, vinahitaji kuwa nzito sana ili kuzalisha nguvu ya kuvutia ya kushikilia mwanga ndani yao. Kwa hivyo, ikiwa misa ya Dunia imekandamizwa kwa wiani wa shimo nyeusi, unapata mpira na kipenyo cha milimita 9. Kitu cheusi, mara milioni 4 ya uzito wa Jua, kinaweza kutoshea kati ya Zebaki na nyota yetu. Mashimo hayo meusi yaliyo katikati ya galaksi yanaweza kuwa na uzito mara milioni 10-30 zaidi ya Jua. Misa kubwa kama hiyo kwa kiasi kidogo inamaanisha kuwa shimo nyeusi zina wiani mkubwa na michakato inayotokea ndani ni nguvu sana.

Shimo nyeusi ni kimya sana. Ni ngumu kufikiria kuwa kitu kikubwa cha giza, kikinyonya kila kitu ndani yake, pia kilikuwa na kelele. Kwa kweli, kila kitu kinachoanguka kwenye shimo hili huenda kwa kasi ya mara kwa mara. Matokeo yake, kwa makali ya muda wa nafasi, ambayo bado tunaweza kuhisi kutokana na ukomo wa kasi ya mwanga, chembe zinaharakishwa karibu na kasi ya mwanga. Wakati maada inapoanza kwenda kwa kasi yake ya kuzuia, sauti ya gurgling inaonekana. Ni matokeo ya mabadiliko ya nishati ya harakati katika mawimbi ya sauti. Matokeo yake, shimo nyeusi hugeuka kuwa kitu cha kelele sana. Mnamo mwaka wa 2003, wanaastronomia wanaofanya kazi katika kituo cha uchunguzi wa anga cha Chandra X-ray waliweza kugundua mawimbi ya sauti yakitoka kwenye shimo kubwa jeusi. Lakini iko umbali wa miaka milioni 250 ya mwanga kutoka kwetu, ambayo kwa mara nyingine inaonyesha kelele ya vitu vile.

Hakuna kinachoweza kuepuka mvuto wa mashimo nyeusi. Kauli hii ni sahihi. Baada ya yote, wakati baadhi ya vitu vikubwa au vidogo viko karibu na shimo nyeusi, hakika vitakamatwa na uwanja wake wa mvuto. Wakati huo huo, inaweza kuwa chembe ndogo na sayari, nyota au hata galaksi. Hata hivyo, ikiwa kitu hiki kinaathiriwa na nguvu kubwa zaidi kuliko mvuto wa shimo nyeusi, basi itaweza kuepuka kifungo cha kifo. Inaweza kuwa, kwa mfano, roketi. Lakini hii inawezekana kabla ya kitu kufikia upeo wa tukio, wakati mwanga bado unaweza kutoroka kutoka kifungoni. Baada ya mpaka huu, haitawezekana kutoroka kutoka kwa kukumbatia kwa monster anayetumia nafasi yote. Baada ya yote, ili kuepuka zaidi ya upeo wa macho, ni muhimu kuendeleza kasi zaidi kuliko kasi ya mwanga. Na hii haiwezekani hata kinadharia. Kwa hivyo mashimo meusi ni meusi kweli - kwa kuwa mwanga hauwezi kamwe kutoka, hatuwezi kuangalia ndani ya kitu hiki cha ajabu. Wanasayansi wanaamini kwamba hata tundu dogo jeusi litamrarua mtazamaji asiyejua kuwa chembe kabla ya kufikia upeo wa tukio. Nguvu ya uvutano inakua sio tu tunapokaribia katikati ya sayari na nyota, lakini pia kuelekea shimo nyeusi. Ikiwa unaruka miguu kwanza kuelekea hilo, basi nguvu ya mvuto katika miguu itakuwa kubwa zaidi kuliko kichwa, na itasababisha kupasuka kwa papo hapo kwa mwili.

Shimo nyeusi hazibadilishi wakati. Mwangaza huzunguka upeo wa tukio, lakini hatimaye hupenya ndani na kutoweka katika kutokuwepo. Kwa hivyo ni nini kinachotokea kwa saa ikiwa itaanguka kwenye shimo nyeusi na inaendelea kufanya kazi huko? Wanapokaribia upeo wa tukio, wataanza kupunguza mwendo hadi wasimame. Kusimamishwa kwa wakati kama huo kunahusishwa na kupungua kwake kwa mvuto, ambayo inaelezea nadharia ya Einstein ya uhusiano. Shimo jeusi lina nguvu kubwa ya uvutano ambayo inaweza kupunguza muda. Kutoka kwa mtazamo wa kuangalia, hakuna kitu kitakachobadilika, lakini kitatoweka kutoka kwa mtazamo, na mwanga kutoka kwake utapanuliwa chini ya ushawishi wa kitu kizito. Nuru itaanza kuhamia kwenye wigo nyekundu, urefu wake wa wimbi utaongezeka. Matokeo yake, hatimaye atakuwa asiyeonekana.

Shimo nyeusi haitoi nishati yoyote. Inajulikana kuwa vitu hivi huchota katika misa nzima inayozunguka. Wanasayansi wanapendekeza kwamba kila kitu ndani kimebanwa sana hivi kwamba hata nafasi kati ya atomi hupunguzwa. Matokeo yake, chembe za subatomic zinazaliwa ambazo zinaweza kuruka nje. Katika hili wanasaidiwa na mistari ya shamba la sumaku inayovuka upeo wa tukio. Matokeo yake, kutolewa kwa chembe hizo huzalisha nishati, na njia yenyewe ni nzuri kabisa. Ubadilishaji wa misa kuwa nishati katika kesi hii hutoa kurudi mara 50 zaidi kuliko wakati wa muunganisho wa nyuklia. Shimo nyeusi yenyewe inaonekana kama kinu kikubwa.

Hakuna uhusiano kati ya nyota na idadi ya shimo nyeusi. Wakati fulani Carl Sagan, mwanaastrofizikia maarufu, alisema kwamba kuna nyota nyingi zaidi katika ulimwengu kuliko chembe za mchanga kwenye fukwe za dunia nzima. Wanasayansi wanaamini kwamba nambari hii bado ni ya mwisho na ni 10 kwa nguvu ya 22. Je, ina uhusiano gani na mashimo nyeusi? Ni idadi yao ambayo huamua idadi ya nyota. Inatokea kwamba mito ya chembe iliyotolewa na vitu vyeusi hupanua kwenye Bubbles ya aina fulani ambayo inaweza kuenea kupitia maeneo ya malezi ya nyota. Maeneo haya yapo katika mawingu ya gesi, ambayo, yanapopozwa, hutoa mwanga. Na vijito vya chembe hupasha joto mawingu ya gesi na kuzuia nyota mpya kuonekana. Matokeo yake, kuna usawa wa mara kwa mara kati ya shughuli za mashimo nyeusi na idadi ya nyota katika ulimwengu. Baada ya yote, ikiwa kuna nyota nyingi kwenye gala, basi itageuka kuwa moto sana na kulipuka, itakuwa vigumu kwa maisha kutokea huko. Na, kinyume chake, idadi ndogo ya nyota pia haitasaidia maisha kutokea.

Mashimo nyeusi yanafanywa kwa nyenzo tofauti kuliko sisi. Wanasayansi kadhaa wanaamini kuwa shimo nyeusi husaidia kuzaliwa kwa vitu vipya. Na hii inaweza kueleweka, kutokana na mgawanyiko wa suala katika chembe ndogo ndogo ndogo. Kisha wanashiriki katika malezi ya nyota, ambayo hatimaye inaongoza kwa kuonekana kwa vipengele nzito kuliko heliamu. Tunasema juu ya kaboni na chuma, muhimu kwa kuonekana kwa sayari imara. Matokeo yake, vipengele hivi ni sehemu ya kila kitu ambacho kina wingi, yaani, mtu mwenyewe. Kuna uwezekano kwamba mjenzi wa kweli wa mwili wetu ni shimo jeusi lililo mbali.

Dhana ya shimo nyeusi inajulikana kwa kila mtu - kutoka kwa watoto wa shule hadi wazee, hutumiwa katika sayansi na fasihi ya uongo, katika vyombo vya habari vya njano na katika mikutano ya kisayansi. Lakini si kila mtu anajua nini hasa mashimo haya ni.

Kutoka kwa historia ya shimo nyeusi

1783 Dhana ya kwanza ya uwepo wa jambo kama shimo nyeusi iliwekwa mbele mnamo 1783 na mwanasayansi wa Kiingereza John Michell. Katika nadharia yake, alichanganya ubunifu wawili wa Newton - macho na mechanics. Wazo la Michell lilikuwa hili: ikiwa mwanga ni mkondo wa chembe ndogo, basi, kama miili mingine yote, chembe zinapaswa kupata mvuto wa uwanja wa mvuto. Inatokea kwamba nyota kubwa zaidi, ni vigumu zaidi kwa mwanga kupinga mvuto wake. Miaka 13 baada ya Michell, mwanaastronomia na mwanahisabati Mfaransa Laplace kuweka mbele (inawezekana zaidi bila ya mwenzake wa Uingereza) nadharia kama hiyo.

1915 Walakini, kazi zao zote zilibaki bila kudaiwa hadi mwanzoni mwa karne ya 20. Mnamo mwaka wa 1915, Albert Einstein alichapisha Nadharia ya Jumla ya Uhusiano na alionyesha kwamba mvuto ni mpito wa muda wa nafasi unaosababishwa na maada, na miezi michache baadaye, mwanaastronomia wa Ujerumani na mwanafizikia wa kinadharia Karl Schwarzschild aliitumia kutatua tatizo fulani la unajimu. Alichunguza muundo wa muda wa nafasi uliopinda kuzunguka Jua na kugundua tena hali ya mashimo meusi.

(John Wheeler aliunda neno "mashimo meusi").

1967 Mwanafizikia wa Marekani John Wheeler alielezea nafasi inayoweza kukunjwa, kama kipande cha karatasi, kuwa sehemu isiyo na kikomo na kuteua neno "Shimo Nyeusi".

1974 Mwanafizikia wa Uingereza Stephen Hawking alithibitisha kwamba mashimo meusi, ingawa yanameza vitu bila kurudi, yanaweza kutoa mionzi na hatimaye kuyeyuka. Jambo hili linaitwa "mionzi ya Hawking".

2013 Utafiti wa hivi karibuni juu ya pulsars na quasars, pamoja na ugunduzi wa mionzi ya asili ya microwave ya cosmic, hatimaye imefanya iwezekanavyo kuelezea dhana yenyewe ya shimo nyeusi. Mnamo mwaka wa 2013, wingu la gesi G2 lilikuja karibu sana na shimo nyeusi na kuna uwezekano wa kufyonzwa nalo, kuchunguza mchakato wa kipekee hutoa fursa nzuri kwa uvumbuzi mpya wa vipengele vya shimo nyeusi.

(Kitu kikubwa Sagittarius A *, wingi wake ni mara milioni 4 zaidi kuliko Jua, ambayo ina maana ya nguzo ya nyota na malezi ya shimo nyeusi.)

2017. Kundi la wanasayansi kutoka kwa ushirikiano wa Event Horizon Telescope ya nchi kadhaa, zinazounganisha darubini nane kutoka sehemu tofauti za mabara ya Dunia, walifanya uchunguzi wa shimo nyeusi, ambayo ni kitu kikubwa zaidi na iko kwenye gala ya M87, Virgo ya nyota. Uzito wa kitu ni bilioni 6.5 (!) Misa ya jua, mara kubwa zaidi kuliko kitu kikubwa Sagittarius A *, kwa kulinganisha, kipenyo ni kidogo kidogo kuliko umbali kutoka Sun hadi Pluto.

Uchunguzi ulifanywa katika hatua kadhaa, kuanzia msimu wa joto wa 2017 na wakati wa 2018. Kiasi cha habari kilihesabiwa katika petabytes, ambayo kisha ilibidi ifafanuliwe na picha halisi ya kitu cha mbali zaidi kupatikana. Kwa hivyo, ilichukua miaka mingine miwili mizima kuchanganua mapema data zote na kuzichanganya kuwa zima.

2019 Data iliamuliwa kwa ufanisi na kuonekana, na kutoa picha ya kwanza kabisa ya shimo jeusi.

(Picha ya kwanza kabisa ya shimo jeusi kwenye gala la M87 kwenye kundinyota la Virgo)

Azimio la picha hukuruhusu kuona kivuli cha sehemu ya kutorudishwa katikati ya kitu. Picha ilipatikana kama matokeo ya uchunguzi wa interferometric na msingi mrefu wa ziada. Hizi ni uchunguzi unaoitwa synchronous wa kitu kimoja kutoka kwa darubini kadhaa za redio, zilizounganishwa na mtandao na ziko katika sehemu tofauti za dunia, zinazoelekezwa katika mwelekeo mmoja.

Mashimo meusi ni yapi kweli?

Maelezo ya laconic ya jambo hilo yanasikika kama hii.

Shimo jeusi ni eneo la muda ambalo mvuto wake wa mvuto ni mkubwa sana hivi kwamba hakuna kitu chochote, pamoja na quanta nyepesi, kinachoweza kuiacha.

Shimo jeusi hapo zamani lilikuwa nyota kubwa. Kwa muda mrefu kama athari za nyuklia hudumisha shinikizo la juu katika matumbo yake, kila kitu kinabaki kawaida. Lakini baada ya muda, ugavi wa nishati hupungua na mwili wa mbinguni, chini ya ushawishi wa mvuto wake mwenyewe, huanza kupungua. Hatua ya mwisho ya mchakato huu ni kuanguka kwa msingi wa nyota na kuundwa kwa shimo nyeusi.

1. Kutolewa kwa jeti nyeusi ya shimo kwa kasi kubwa

2. Diski ya suala inakua ndani ya shimo nyeusi

3. Shimo nyeusi

4. Mpango wa kina wa kanda ya shimo nyeusi

5. Ukubwa wa uchunguzi mpya uliopatikana

Nadharia ya kawaida inasema kwamba kuna matukio sawa katika kila galaksi, ikiwa ni pamoja na katikati ya Milky Way yetu. Uzito mkubwa wa shimo una uwezo wa kushikilia galaksi kadhaa karibu nayo, kuwazuia kutoka kwa kila mmoja. "Eneo la chanjo" linaweza kuwa tofauti, yote inategemea wingi wa nyota ambayo imegeuka kuwa shimo nyeusi, na inaweza kuwa maelfu ya miaka ya mwanga.

Radi ya Schwarzschild

Mali kuu ya shimo nyeusi ni kwamba jambo lolote linaloingia ndani yake haliwezi kurudi tena. Vile vile hutumika kwa mwanga. Katika msingi wao, mashimo ni miili ambayo inachukua kabisa mwanga wote unaoanguka juu yao na haitoi yao wenyewe. Vitu kama hivyo vinaweza kuonekana kama vifuniko vya giza kabisa.

1. Kusonga jambo kwa nusu ya kasi ya mwanga

2. Pete ya picha

3. Pete ya ndani ya photon

4. Upeo wa tukio katika shimo nyeusi

Kulingana na Nadharia ya Jumla ya Uhusiano ya Einstein, ikiwa mwili unakaribia umbali muhimu kutoka katikati ya shimo, hauwezi tena kurudi. Umbali huu unaitwa radius ya Schwarzschild. Ni nini hasa kinachotokea ndani ya eneo hili haijulikani kwa hakika, lakini kuna nadharia ya kawaida. Inaaminika kwamba suala lote la shimo nyeusi limejilimbikizia katika hatua ndogo sana, na katikati yake kuna kitu kilicho na wiani usio na kipimo, ambacho wanasayansi huita usumbufu wa pekee.

Inaangukaje kwenye shimo jeusi

(Katika picha, shimo jeusi la Sagittarius A * linaonekana kama kundi nyangavu sana la mwanga)

Sio muda mrefu uliopita, mwaka wa 2011, wanasayansi waligundua wingu la gesi, na kutoa jina rahisi G2, ambalo hutoa mwanga usio wa kawaida. Mwangaza kama huo unaweza kutoa msuguano katika gesi na vumbi, unaosababishwa na hatua ya shimo nyeusi Sagittarius A * na ambayo huzunguka kwa namna ya diski ya accretion. Kwa hivyo, tunakuwa waangalizi wa jambo la kushangaza la kunyonya kwa wingu la gesi na shimo nyeusi kubwa.

Kulingana na tafiti za hivi karibuni, njia ya karibu zaidi ya shimo nyeusi itatokea mnamo Machi 2014. Tunaweza kuunda upya picha ya jinsi tamasha hili la kusisimua litakavyocheza.

1. Inapoonekana kwa mara ya kwanza kwenye data, wingu la gesi linafanana na mpira mkubwa wa gesi na vumbi.

2. Sasa, kufikia Juni 2013, wingu liko makumi ya mabilioni ya kilomita kutoka kwenye shimo jeusi. Inaanguka ndani yake kwa kasi ya 2500 km / s.

3. Wingu linatarajiwa kupita shimo jeusi, lakini nguvu za mawimbi zinazosababishwa na tofauti ya mvuto zinazotenda kwenye kingo zinazoongoza na zinazofuata za wingu zitasababisha kurefuka zaidi na zaidi.

4. Baada ya wingu kuvunjwa, wengi wao uwezekano mkubwa watajiunga na diski ya accretion karibu na Sagittarius A *, na kuzalisha mawimbi ya mshtuko ndani yake. Joto litaongezeka hadi digrii milioni kadhaa.

5. Sehemu ya wingu itaanguka moja kwa moja kwenye shimo nyeusi. Hakuna mtu anayejua hasa nini kitatokea kwa dutu hii, lakini inatarajiwa kwamba katika mchakato wa kuanguka itatoa mito yenye nguvu ya X-rays, na hakuna mtu mwingine atakayeiona.

Video: shimo nyeusi humeza wingu la gesi

(Uigaji wa kompyuta wa kiasi gani cha wingu la gesi ya G2 kitakachoharibiwa na kuteketezwa na shimo jeusi la Sagittarius A*)

Kuna nini ndani ya shimo nyeusi

Kuna nadharia ambayo inadai kwamba shimo nyeusi ndani ni tupu, na misa yake yote imejilimbikizia katika sehemu ndogo sana ambayo iko katikati yake - umoja.

Kwa mujibu wa nadharia nyingine ambayo imekuwepo kwa nusu karne, kila kitu kinachoanguka kwenye shimo nyeusi huenda kwenye ulimwengu mwingine ulio kwenye shimo nyeusi yenyewe. Sasa nadharia hii sio kuu.

Na kuna nadharia ya tatu, ya kisasa zaidi na dhabiti, kulingana na ambayo kila kitu kinachoanguka kwenye shimo jeusi huyeyuka katika mitetemo ya nyuzi kwenye uso wake, ambayo imeteuliwa kama upeo wa tukio.

Kwa hivyo ni nini upeo wa macho wa tukio? Haiwezekani kuangalia ndani ya shimo nyeusi hata kwa darubini yenye nguvu zaidi, kwa kuwa hata mwanga, kuingia ndani ya funnel kubwa ya cosmic, haina nafasi ya kuibuka tena. Kila kitu ambacho kinaweza kuzingatiwa kwa namna fulani kiko katika eneo lake la karibu.

Upeo wa upeo wa macho ni mstari wa masharti wa uso ambapo hakuna chochote (gesi, vumbi, nyota, mwanga) kinaweza kutoka. Na hii ndiyo hatua ya ajabu sana ya kutorudi katika mashimo meusi ya Ulimwengu.

Sasa tunageukia hadithi ya jinsi shimo nyeusi inaweza kufanya kazi kama mashine ya umeme (motor ya umeme, dynamo, nk).

Kwanza kabisa, lazima tufahamiane na mali ya kushangaza ya mpaka wa shimo nyeusi, ambayo, pamoja na

Mchele. 5. Mistari ya nguvu ya uwanja wa umeme wa malipo karibu na shimo nyeusi. Viongezeo na minuses huashiria malipo ya uongo ya uso kwenye ukingo wa shimo jeusi

kutoka kwa mtazamo wa mwangalizi wa nje, anajidhihirisha kuwa "membrane", iliyopewa mali fulani ya umeme.

Ili kuelewa ni nini kiko hatarini hapa, fikiria uwanja wa umeme wa chaji ulio karibu na shimo jeusi lisilozunguka lisilo na chaji. Kama tulivyokwisha sema, nafasi ya pande tatu karibu na shimo nyeusi imepindika, na kwa hivyo mistari ya uwanja wa uwanja huu inaonekana isiyo ya kawaida sana, kama inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 5. Mchoro huu, kwa kweli, ni wa kimkakati, kwani haiwezekani kuonyesha usanidi wa mistari katika nafasi iliyopindika kwenye kipande cha karatasi. Tunaona kwamba sehemu ya mistari ya shamba, ikipinda, huenda kwenye nafasi mbali na shimo nyeusi. Mistari mingine ya uga inakaa dhidi ya shimo jeusi.

Ikiwa jambo hilo lilikuwa mdogo kwa hili, basi hii itamaanisha kwamba shimo nyeusi linashtakiwa. Hakika, tunajua kwamba sheria ya Gauss inasema kwamba idadi ya mistari ya nguvu inayovuka uso uliofungwa huamua jumla ya malipo ndani yake. Lakini shimo letu jeusi kwa ujumla halijashtakiwa; hii ina maana kwamba ikiwa kuna mistari ya nguvu inayoingia kwenye shimo nyeusi, basi lazima kuwe na mistari inayotoka ndani yake. Hakika, tunaona katika takwimu kwamba mistari ya nguvu ya shamba la umeme hutoka kwenye shimo nyeusi kutoka upande wa kinyume na malipo na kwenda mbali na shimo nyeusi. Configuration hiyo tata ya shamba inahusishwa na curvature yenye nguvu ya nafasi.

Mistari ya nguvu katika mtini. 5 inaonekana kana kwamba uso wa shimo jeusi ni tufe inayopitisha umeme na kuikaribia kutoka nje ya chaji husababisha mgawanyiko wa malipo ya bure katika nyanja ya upitishaji umeme. Malipo ambayo yana kinyume

Mchele. 6. Uso wa uwongo wa sasa kwenye mpaka wa shimo nyeusi. Shimo jeusi lenye umbo kwa sababu ya kuzunguka

ishara ikilinganishwa na iliyokaribia, huvutiwa nayo na hukusanywa upande mmoja wa nyanja. Malipo ya ishara sawa na inayokaribia yanapigwa na kukusanywa kutoka upande wa pili (tazama Mchoro 5). Mfano kama huo unaturuhusu kudhani kwa hali kuwa kuna mashtaka (ya uwongo) kwenye uso wa shimo nyeusi, ambayo mistari ya nguvu ya uwanja wa nje wa umeme huisha.

Hebu tuchunguze kwa undani zaidi mchakato wa kukaribia malipo ya umeme kwenye shimo nyeusi. Wakati wa kukaribia malipo, usambazaji wa malipo ya uso wa uongo wa shimo nyeusi utabadilika - mashtaka ya ishara kinyume hutolewa kwa hatua iko moja kwa moja chini ya malipo yanayokaribia. Kwa hiyo, tunaweza kudhani kwamba sasa (ya uwongo) inapita juu ya uso wa shimo nyeusi! Zaidi ya hayo, tunaweza kuhusisha nguvu ya mkondo huu na nguvu ya uwanja wa umeme unaofanya kazi kwenye uso wa shimo jeusi wakati malipo yanapokaribia, kama inavyoonekana na mwangalizi wa mbali:

Uhusiano huu una fomu ya sheria inayojulikana ya Ohm. Hapa tumeashiria upinzani (wa uwongo) wa uso wa shimo nyeusi. Uchunguzi wa kina unaonyesha kuwa au katika vitengo vya kawaida ni sawa na 377 ohms.

Kwa hivyo, kuzingatiwa tayari kwa shida rahisi zaidi za elektroni kunaonyesha kuwa uso wa shimo jeusi hufanya kama utando uliopewa kitu fulani.

mali ya umeme. Kuzingatia matatizo magumu zaidi kunathibitisha mtazamo huu. Kwa mfano, basi mito miwili ya mashtaka ya ishara kinyume ianguke katika sehemu tofauti za uso wa shimo nyeusi (Mchoro 6), ili malipo ya jumla ya shimo nyeusi haibadilika. Kisha tunaweza kudhani kwamba kutoka mahali ambapo chaji chanya A huanguka hadi mahali ambapo chaji hasi B huanguka, mkondo wa umeme wa uso unatiririka, kama inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 6.

Lazima tukumbushe tena msomaji kwamba kwa kweli hakuna mashtaka ya uso na mikondo (pamoja na uso wa nyenzo yenyewe) kwa shimo nyeusi. Ikiwa mwangalizi fulani huanguka kwenye shimo nyeusi, basi hakutana na uso wowote wa nyenzo, hakuna mashtaka, hakuna mikondo wakati wa kuvuka upeo wa macho. Kuanzishwa kwa idadi hizi za uwongo ni njia ya kuona ya kuwakilisha tabia ya mistari ya uwanja wa umeme (na, kama tutakavyoona, pia uwanja wa sumaku) karibu na mpaka wa shimo nyeusi, kutoka kwa mtazamo wa mwangalizi. iko “mbali na shimo jeusi. Uwakilishi huo ni rahisi sana, unaoonekana, na inaruhusu intuition yetu, imezoea uchambuzi wa majaribio ya maabara na kufanya nyanja, kufanya kazi. Hii inaturuhusu, bila kugeukia mawazo na hesabu changamano kuhusu muda wa nafasi ya nne-dimensional uliopinda ambao uhusiano wa jumla hushughulika nao, kufikiria tabia ya shimo jeusi katika hali fulani kwa njia rahisi.

Katika siku zijazo, tutatumia uwakilishi ulioelezwa, bila kutaja kila wakati uwongo wa dhana ya mashtaka ya uso na mikondo kwa shimo nyeusi.

Hebu sasa tugeuke kwa kuzingatia jinsi shimo nyeusi inaweza kucheza nafasi ya vipengele mbalimbali vya mzunguko wa umeme na mashine za umeme. Utafiti huu sasa unaendelezwa kikamilifu na mwanafizikia wa Marekani Kip Thorne na wenzake. Bila shaka, hatutakaa juu ya maelezo ya kiufundi ya miundo, lakini tutawasilisha mipango ya jumla tu.

Mawazo yaliyopo kuhusu shimo nyeusi yanategemea nadharia zilizothibitishwa kwa njia ya jiometri ya tofauti ya aina nyingi. Uwasilishaji wa matokeo ya nadharia unapatikana kwenye vitabu na hatutarudia hapa. Tukirejelea msomaji kwa maelezo ya monographs na makusanyo, pamoja na karatasi na hakiki za asili, tunajiweka kwenye hesabu fupi ya vifungu kuu vinavyozingatia mawazo ya kisasa kuhusu shimo nyeusi.

Familia ya jumla zaidi ya suluhu za ombwe za milinganyo ya Einstein, inayoelezea nyakati za nafasi tambarare zisizo na dalili na upeo wa matukio yasiyo ya umoja na kawaida kila mahali nje ya upeo wa macho, ina ulinganifu wa axial na inalingana na familia ya Kerr ya vigezo viwili. Vigezo viwili vya kujitegemea na kufafanua misa na kasi ya angular ya shimo nyeusi. Nadharia zinazounga mkono kauli hii ziliundwa katika kazi za shimo jeusi lisilozunguka na kujumlishwa kuwa kipimo cha Kerr katika . Ufumbuzi wa milinganyo isiyo ya utupu ya Einstein inayoelezea mashimo meusi inaweza kuwa na sifa ya idadi kubwa ya vigezo. Kwa hiyo, katika kesi ya mfumo wa Einstein-Maxwell wa equations, familia ya ufumbuzi wa Kerr-Newman ina mali iliyoorodheshwa, ambayo ina vigezo vinne ambapo malipo ya umeme, magnetic, pekee ya familia hii ilithibitishwa katika. Kuna masuluhisho ya mfumo wa milinganyo wa Einstein-Yang-Mills unaoelezea mashimo meusi yanayobeba chaji za kupima (rangi), na vile vile mfumo wa Einstein-Yang-Mills-Higgs wenye ulinganifu uliovunjika kwa hiari, unaoelezea monopoles na dyoni zilizofichwa chini ya tukio hilo. upeo wa macho. Katika nguvu ya uvutano iliyopanuliwa, suluhu zimepatikana ambazo zinaelezea mashimo meusi yaliyochajiwa sana na muundo wa fermionic. Ni muhimu kwamba suluhu zote zilizoorodheshwa zifahamike kwa nyanja za sifuri, ambazo haziwezi kuwa na sehemu kubwa za nje za shimo jeusi.

Sehemu ya Kerr-Newman

Kuahirisha mjadala wa suluhu zenye chaji za sumaku na geji hadi § 18, hebu tuchunguze kwa undani zaidi suluhisho la Kerr-Newman linaloelezea chaji ya umeme inayozunguka.

shimo nyeusi. Katika kuratibu za Boyer-Lindqvist, mraba wa muda wa muda wa nafasi una fomu

ambapo nukuu ya kawaida inaletwa

4-uwezo (-fomu) wa uwanja wa sumakuumeme, unaofafanuliwa na uhusiano

kwa maana haina tofauti na uwezo wa malipo ya uhakika katika nafasi ya Minkowski. Neno la ziada la sawia na sanjari na infinity ya anga na uwezo wa dipole ya sumaku. Vipengee visivyo na nzero vya tensor ya kipimo kipingamizi ni

Kwa kipimo cha Kerr-Newman, kuna alama thelathini zisizo na sufuri za Christoffel, ambazo ishirini na mbili ni sawa kwa jozi.

ambapo imeonyeshwa

Alama za Christoffel ni utendakazi tofauti na hazipotei katika mstari wa ikweta wa kipimo cha Kerr. Vipengee vingine vya uunganisho sio vya kawaida kuhusiana na kutafakari katika ndege, ambapo huchukua maadili ya sifuri. Ni muhimu kukumbuka hili wakati wa kutatua milinganyo ya mwendo wa chembe.

Vipengele visivyo na sifuri vya tensor ya shamba la sumakuumeme ni sawa na

ambayo inalingana na nafasi ya juu ya uwanja wa Coulomb na uwanja wa dipole wa sumaku.

Kipengele cha mstari (1) haitegemei kuratibu, hivyo vectors

ni Vinasaba vya kuua vinazalisha mabadiliko ya wakati na mizunguko kuzunguka mhimili wa ulinganifu. Kuua vekta na sio orthogonal kwa kila mmoja

Ulinganifu wa uga wa sumakuumeme kuhusiana na mabadiliko yanayotolewa na vidhibiti vya Kuua unaonyeshwa kwa usawa hadi sufuri wa viambajengo vya Uongo vya 4-uwezo (3) kando ya sehemu za vekta (8),

Vekta ya wakati ni sawa katika eneo lililofungwa na ukosefu wa usawa

na inakuwa isotropic juu ya uso wa ergosphere

ambayo ni ellipsoid ya mapinduzi. Ndani ya ergosphere, vekta ni kama nafasi, lakini kuna mchanganyiko wa mstari wa vekta zinazoua.

ambayo ni wakati kama wakati wa Kuua vekta ndani ya ergosphere ikiwa kuna usawa

Uso ambao wanaunganisha ni upeo wa tukio, nafasi yake imedhamiriwa na mzizi mkubwa wa equation.

tutapata wapi

Wingi una jukumu la kasi ya angular ya mzunguko wa upeo wa macho; kwa mujibu wa nadharia ya jumla, haitegemei pembe

Upeo wa matukio ni hypersurface ya isotropiki ambayo sehemu yake ya anga ina topolojia ya tufe. Eneo la uso wa pande mbili za upeo wa macho huhesabiwa na formula

ambayo inaongoza kwa matokeo

Kulingana na nadharia ya Hawking, eneo la uso wa upeo wa macho wa tukio la shimo jeusi lililotumbukizwa kwenye nyenzo ambayo tensor yake ya kasi ya nishati inakidhi hali ya kutawala nishati haiwezi kupungua. Uzito na wakati wa kuzunguka kwa shimo unaweza kupungua kwa kibinafsi, wakati, baada ya kupoteza kabisa wakati wa kuzunguka, shimo nyeusi litageuka kuwa na misa ya angalau.

ambayo imeitwa molekuli "isiyoweza kupunguzwa" ya shimo nyeusi. Sheria ya kutopungua kwa eneo la upeo wa macho wa tukio ina asili ya kawaida na sheria ya kuongezeka kwa entropy, inaweza kuhusishwa na upotezaji wa habari juu ya hali ya jambo ambalo liko chini ya upeo wa tukio. Ikiwa shimo nyeusi hakuwa na baadhi

entropy, kisha kunyonya kwa, sema, gesi yenye joto kwenye anga ya nje inaweza kusababisha kupungua kwa entropy. Kuzingatia mazingatio ya quantum huondoa hatari ya kupingana na sheria ya pili ya thermodynamics, kwa sababu inabadilika kuwa katika mvuto wa quantum entropy ya shimo nyeusi ni sawa na eneo la upeo wa macho (21) katika vitengo vya mraba wa urefu wa Planck

Hii pia inalingana na mahesabu ya awali ya athari za uzalishaji wa chembe katika shimo nyeusi katika mfumo wa nadharia ya semiclassical. Uingizaji wa jumla wa shimo nyeusi na jambo lililoingizwa katika kesi hii haipunguzi, kwani misa (na, ikiwezekana, wakati wa kuzunguka) wa shimo nyeusi huongezeka wakati wa kunyonya, kama matokeo ya ambayo eneo la uso wa shimo huongezeka. upeo wa macho wa tukio unaongezeka. Ikumbukwe kwamba dhehebu katika (23) ni ndogo sana, kwa hiyo, pamoja na mabadiliko ya macroscopic katika eneo la upeo wa macho, entropy ya shimo nyeusi hubadilika kwa thamani kubwa sana.

Katika upeo wa macho wa tukio, mchanganyiko wa mstari wa vipengele vya uwezekano wa 4 ni wa kudumu, ambao una maana ya uwezo wa kielektroniki wa upeo wa macho kwa mwangalizi anayezunguka na upeo wa macho.

Pia mara kwa mara ni kiasi kinachoitwa "mvuto wa uso" wa shimo nyeusi, ambayo ni sawa na kuongeza kasi (katika vitengo vya muda wa kuratibu) wa chembe iliyopumzika kwenye upeo wa macho, kwa fomu isiyobadilika.

ambapo vekta imedhamiriwa na formula (14). kwa (yaani, ni vekta ya isotropiki iliyo kwenye hypersurface

Vekta nyingine ya isotropiki iliyorekebishwa na hali Kwa kipimo cha Kerr-Newman, mvuto wa uso wa upeo wa macho ni