Melnie caurumi ir objekti Visumā ar tik lielu masu, kas ieslodzīts to robežās, ka tiem ir neticami spēcīgi gravitācijas lauki. Faktiski melnā cauruma gravitācijas spēks ir tik spēcīgs, ka nekas nevar izbēgt, kad tas ir izgājis iekšā. Pat no gaismas nevar izkļūt no melnā cauruma, tā ir ieslodzīta iekšpusē kopā ar zvaigznēm, gāzi un putekļiem. Lielākā daļa melno caurumu daudzkārt pārsniedz mūsu Saules masu, un smagākajos caurumos var būt miljoniem saules masu.
Neskatoties uz visu šo masu, faktiskā singularitāte, kas veido melnā cauruma kodolu, nekad nav redzēta vai attēlota. Tas, kā norāda vārds, ir niecīgs punkts kosmosā, bet tam ir DAUDZ masu. Astronomi šos objektus var izpētīt tikai pateicoties to ietekmei uz materiālu, kas tos ieskauj. Materiāls ap melno caurumu veido rotējošu disku, kas atrodas tieši aiz reģiona, ko sauc par “notikumu horizontu”, kas ir atgriešanās gravitācijas punkts.
Melnā cauruma uzbūve
Melnā cauruma pamata "celtniecības bloks" ir singularitāte: precīzi noteikts telpas apgabals, kurā ir visa melnā cauruma masa. Ap to ir kosmosa reģions, no kura gaisma nevar izkļūt, piešķirot "melnajam caurumam" savu vārdu. Šī reģiona ārējā "mala" ir tā, kas veido notikumu horizontu. Tā ir neredzamā robeža, kur gravitācijas lauka vilkme ir vienāda ar gaismas ātrums. Tas ir arī tur, kur gravitācija un gaismas ātrums ir līdzsvaroti.
Notikuma horizonta pozīcija ir atkarīga no melnā cauruma gravitācijas vilkmes. Astronomi aprēķina notikuma horizonta atrašanās vietu ap melno caurumu, izmantojot vienādojumu Rs = 2GM / c2. R ir singularitātes rādiuss, G ir gravitācijas spēks, M ir masa, c ir gaismas ātrums.
Melno caurumu veidi un kā tie veidojas
Ir dažādi melno caurumu veidi, un tie rodas dažādos veidos. Visizplatītākais veids ir pazīstams kā zvaigžņu masas melnais caurums. Tie satur aptuveni dažas reizes vairāk nekā mūsu Saules masa un veidojas, kad tie ir lieli galvenā secība zvaigznēs (10–15 reizes pārsniedzot mūsu Saules masu) kodolos izplūst kodoldegviela. Rezultāts ir milzīgs supernovas eksplozija kas spridzina zvaigžņu ārējos slāņus kosmosā. Kas atpaliek, sabrūk, izveidojot melno caurumu.
Divi citi melno caurumu veidi ir supermasīvie melnie caurumi (SMBH) un mikro melnie caurumi. Viens SMBH var saturēt miljonu vai miljardu saules masu. Mikro melnie caurumi, kā to norāda nosaukums, ir ļoti niecīgi. Viņiem varētu būt tikai 20 mikrogrami masas. Abos gadījumos to izveidošanas mehānismi nav pilnīgi skaidri. Mikro melnie caurumi teorētiski pastāv, bet nav tieši atklāti.
Ir konstatēts, ka vairums galaktiku kodolos eksistē supermasīvi melnie caurumi, un par to izcelsmi joprojām notiek karsts debates. Tas ir iespējams ka supermasīvie melnie caurumi ir mazāku, zvaigžņu masu melno caurumu un citu apvienošanās rezultāts matērija. Daži astronomi ierosina, ka tie varētu tikt izveidoti, sabrūkot vienai ļoti masīvai (simtiem reižu lielākai Saules masai) zvaigznei. Jebkurā gadījumā tie ir pietiekami masīvi, lai dažādos veidos ietekmētu galaktiku, sākot no ietekmes uz zvaigžņu dzimšanas ātrumu un beidzot ar zvaigžņu un materiālu orbītām to tuvumā.
No otras puses, mikro melnos caurumus varētu radīt divu ļoti enerģijas enerģijas daļiņu sadursmes laikā. Zinātnieki norāda, ka tas notiek nepārtraukti Zemes augšējā atmosfērā un, iespējams, notiek daļiņu fizikas eksperimentu laikā tādās vietās kā CERN.
Kā zinātnieki mēra melnos caurumus
Tā kā gaisma nevar izkļūt no apgabala ap melno caurumu, kuru ietekmē notikumu horizonts, neviens īsti nevar "redzēt" melno caurumu. Tomēr astronomi var izmērīt un raksturot tos pēc ietekmes uz apkārtni. Melnie caurumi, kas atrodas blakus citiem objektiem, tiem rada gravitācijas efektu. Pirmkārt, masu var noteikt arī pēc materiāla orbītas ap melno caurumu.
Praksē astronomi secina melnā cauruma klātbūtni, izpētot, kā gaisma uzvedas ap to. Melnajiem caurumiem, tāpat kā visiem masīvajiem priekšmetiem, ir pietiekami daudz gravitācijas spēka, lai saliektu gaismas ceļu tam cauri. Tā kā zvaigznes, kas atrodas aiz melnā cauruma, pārvietojas attiecībā pret to, to izstarotā gaisma parādīsies izkropļota vai arī zvaigznes parādīsies pārvietojas neparastā veidā. Pēc šīs informācijas var noteikt melnā cauruma stāvokli un masu.
Īpaši tas ir redzams galaktiku kopās, kur kopu kopējā masa, to tumšā viela un melnie caurumi rada dīvainas formas loka un gredzenus saliekot tālāku priekšmetu gaismu, kad tā iet garām.
Astronomi var redzēt melnos caurumus arī ar starojumu, ko izstaro ap tiem sasildītais materiāls, piemēram, radio vai rentgena starus. Šī materiāla ātrums arī dod svarīgas norādes melnā cauruma īpašībām, no kā tas mēģina aizbēgt.
Hawking starojums
Pēdējais veids, kā astronomi varētu atklāt melno caurumu, ir caur mehānismu, kas pazīstams kā Hawking starojums. Nosaukts slavenajam teorētiskajam fiziķim un kosmologam Stīvens Hokings, Hokinga starojums ir termodinamikas sekas, kas prasa, lai enerģija izkļūtu no melnā cauruma.
Pamatideja ir tāda, ka dabisko mijiedarbību un vakuuma svārstību dēļ viela tiks izveidota elektronu un antielektronu (ko sauc par pozitronu) formā. Kad tas notiek netālu no notikumu horizonta, viena daļiņa tiks izmesta prom no melnā cauruma, bet otra iekritīs gravitācijas urbumā.
Novērotājam viss, kas ir "redzams", ir daļiņa, ko izstaro no melnā cauruma. Tiek uzskatīts, ka daļiņai ir pozitīva enerģija. Ar simetrijas palīdzību tas nozīmē, ka daļai, kas iekrita melnajā caurumā, būs negatīva enerģija. Rezultātā novecojot melnais caurums, tas zaudē enerģiju un zaudē masu (pēc Einšteina slavenā vienādojuma E = MC2, kur E= enerģija, M= masa, un C ir gaismas ātrums).
Rediģējis un atjauninājis Karolīna Kolinsa Petersena.