Дыск з вылучэннем, магнітныя палі і струмені матэрыялу знаходзяцца па-за межамі гарызонту падзей чорнай дзіры. Аднак наша класічная карціна ўстойлівага дыска датычыцца толькі чорнай дзіркі, якая не верціцца. Калі вы наблізіцеся да самога гарызонту падзей, якія верцяцца, рэалістычныя чорныя дзіркі прапануюць нам некалькі захапляльных новых фізікаў. (М. WEISS / CFA)

Спытайце ў Ітана: Як можа асаблівасць спіна Чорнай Дзіры?

Калі зорка круціцца і потым развальваецца, што адбудзецца з яе вуглавым імпульсам?

Самы распаўсюджаны спосаб стварыць чорную дзірку ў Сусвеце - гэта масіўная зорка да канца свайго жыцця і выбухне ў катастрафічнай звышновай. Аднак, калі знешнія часткі зоркі раздзімаюцца, унутранае ядро ​​разбураецца, утвараючы чорную дзірку, калі зорка-папярэднік досыць масіўная. Але большасць сапраўдных зорак, у тым ліку і наша Сонца, круцяцца. Таму - паколькі імпульс кута заўсёды захоўваецца - яны не павінны разбурацца да адзінай кропкі. Як гэта ўсё працуе? Вось што хоча ведаць наш прыхільнік Патрэона Аарон Вайс, пытаючы:

Як [захаваецца] імпульс кута, калі зоркі абвальваюцца да чорных дзірак? Што [значыць] для чорнай дзіркі? Што насамрэч круціцца? Як можа адбывацца незвычайнасць? Ці ёсць "абмежаванне хуткасці" для гэтай хуткасці кручэння і як спін ўплывае на памер гарызонту падзей і вобласць непасрэдна вакол яго?

Гэта ўсё добрыя пытанні. Давайце даведаемся.

Гравітацыйнае паводзіны Зямлі вакол Сонца не абумоўлена нябачным гравітацыйным цяганнем, а лепш апісваецца Зямлёй, якая свабодна падае праз выгнутую прастору, дзе пераважае Сонца. Самае кароткае адлегласць паміж двума кропкамі - гэта не прамая, а хутчэй геадэзічная: выгнутая лінія, якая вызначаецца гравітацыйнай дэфармацыяй прасторы-часу. (LIGO / T. PYLE)

Калі Эйнштэйн упершыню выклаў сваю тэорыю гравітацыі, агульнай адноснасці, ён стварыў непарыўную сувязь паміж прасторай і часам, які ўяўляе сабой тканіну нашага Сусвету, і ўсёй матэрыяй і энергіяй, прысутнай у ім. Тое, што мы ўспрымалі як гравітацыю, было проста скрыўленнем прасторы, і тое, як матэрыя і энергія рэагавалі на гэтую крывізну, перамяшчаючыся праз прастору-час. Матэрыя і энергія падказваюць прасторы часу, як трэба крывіць, а гэты выгнуты космас падказвае матэрыю і энергію, як рухацца.

Амаль адразу Эйнштэйн прызнаў, што гэтая карціна ўзнікае разам з дзіўным следствам, якое было цяжка прымірыць з Сусветнай, якую мы маем: напоўненая матэрыяй Сусвет была нестабільнай. Калі б у вас у сярэднім было месца, якое было запоўнена раўнамернай колькасцю нерухомага рэчыва - незалежна ад формы, памеру або колькасці - яно непазбежна развалілася, утварыўшы б цалкам шарападобную чорную дзірку.

У Сусвеце, які не пашыраецца, вы можаце запоўніць яго нерухомай матэрыяй у любой канфігурацыі, якая вам падабаецца, але яна заўсёды абваліцца да чорнай дзіры. Такая Сусвет нестабільная ў кантэксце цяжару Эйнштэйна і павінна пашырацца, каб быць стабільнай, альбо мы павінны прыняць яе непазбежны лёс. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

Як толькі вы атрымаеце матэрыю з дастатковай колькасцю масы, абмежаванай досыць невялікім аб'ёмам, у пэўным месцы будзе фарміравацца гарызонт падзей. Сферычная вобласць космасу, радыус якога вызначаецца колькасцю масы ўнутры яго, будзе адчуваць такую ​​моцную крывізну, што ўсё, што праходзіць унутраную мяжу, не зможа пазбегнуць.

Па-за межамі гэтага гарызонту падзей будзе здавацца, што ёсць толькі экстрэмальны рэгіён, дзе гравітацыя вельмі інтэнсіўная, але ўнутры яе нельга выпраменьваць ні святла, ні матэрыя. Аднак усё, што трапляе ўнутр, непазбежна прывядзе да самога цэнтра гэтай чорнай дзіркі: да незвычайнасці. У той час як законы фізікі ў гэты момант парушаюцца - некаторыя фізікі напышліва называюць незвычайнасць месцамі, дзе "Бог падзелены нулем" - ніхто не сумняваецца, што ўся матэрыя і выпраменьванне, якія праходзяць у межах гарызонту падзей, накіроўваюцца ў бок падобнага рэгіёну космас.

Ілюстрацыя моцна выгнутай прасторы і часу, за межамі гарызонту чорнай дзіркі. Калі вы ўсё бліжэй і бліжэй да месца масы, прастора становіцца больш моцна выгнутай, што ў выніку прыводзіць да месца, з якога нават святло не можа выйсці: гарызонт падзей. Радыус гэтага месца вызначаецца масай чорнай дзіркі, хуткасцю святла і толькі законамі агульнай адноснасці. У тэорыі павінна быць асаблівая кропка, асаблівасць, дзе ўся маса сканцэнтравана на нерухомых, шарападобна-сіметрычных чорных дзірках. (КАРЫСТАЛЬНІ ПІСБАЙ ДЖОНСОНМАРТІН)

Я ўжо чую пярэчанні. У рэшце рэшт, існуе законная колькасць спосабаў, калі фактычна Сусвет працуе інакш, чым гэтая наіўная карціна гравітацыйнага калапсу.

  • Гравітацыйная сіла не адзіная ў Сусвеце: ядзерныя сілы і электрамагнетызм таксама гуляюць ролю ў пытаннях і энергіі.
  • Чорныя дзіркі не ўтвараюцца ў выніку развалу раўнамернага размеркавання матэрыі, а хутчэй, ад разбурэння масіўнага ядра зоркі, калі ядзерны сінтэз ужо не можа працягвацца.
  • І, мабыць, самае галоўнае, усе зоркі, якія мы калі-небудзь выяўлялі, круціліся, і вуглавы імпульс заўсёды захоўваецца, таму чорныя дзіркі таксама павінны круціцца.

Такім чынам, зробім гэта: пераходзім ад царквы спрошчанага набліжэння да больш рэалістычнай карціны таго, як сапраўды працуюць чорныя дзіркі.

У 2006 годзе Меркурый транзітаваў праз Сонца, але вялікая пляма, заўважаная на дыску Сонца, фактычна знізіла светлавы выход на большы каэфіцыент. Назіраючы месцазнаходжанне сонечных плям, якія рухаюцца з цягам часу, мы вызначылі, што Сонца дэманструе дыферэнцыяльнае кручэнне: экватар і полюсы займаюць ад 25 да 33 зямных дзён, каб зрабіць поўны абарот. (WILLIAMS COLLEGE; GLENN SCHNEIDER, JAY PASACHOFF, SURANJIT TILAKAWARDANE)

Усе зоркі круцяцца. Нашае Сонца, адносна павольны ротатар, выконвае поўны паварот на 360 ° на часовыя шкалы ў межах ад 25 да 33 дзён, у залежнасці ад таго, якую канкрэтную сонечную шырату вы адсочваеце. Але наша Сонца велізарнае і вельмі нізкай шчыльнасці, і ў Сусвеце ёсць значна больш экстрэмальныя аб'екты з пункту гледжання малых фізічных памераў і вялікіх мас. Гэтак жа, як фігурыст, які круціцца, паскараецца, калі яны ўводзяць рукі і ногі, астрафізічныя масы круцяцца хутчэй, калі паменшыць іх радыус.

Калі б Сонца было белым гномам - з аднолькавай масай, але фізічнай велічынёй Зямлі - яно б круцілася раз у 4 хвіліны.

Калі б яна стала нейтроннай зоркай - з аднолькавай масай, але радыусам 20 км - яна б круцілася раз у 2,4 мілісекунды: у адпаведнасці з тым, што мы назіраем за самымі хуткімі пульсарамі.

Звычайная нейтронная зорка - адна з самых шчыльных калекцый матэрыі ў Сусвеце, але існуе верхняя мяжа іх масы. Перавысіце яго, і нейтронная зорка будзе далей разбурацца, утвараючы чорную дзірку. Зорка-нейтрон з найхутчэй круціцца, якую мы калі-небудзь выяўлялі, - гэта пульсар, які круціцца ў 766 разоў за секунду: хутчэй, чым наша Сонца, калі б мы развалілі яго да памеру нейтроннай зоркі. (ESO / LUÍS CALÇADA)

Ну, калі б наша зорка (альбо любая зорка) развалілася да чорнай дзіркі, нам усё роўна прыйдзецца захаваць імпульс. Калі нешта круціцца ў гэтай Сусвеце, няма ніякага спосабу пазбавіцца ад яго, такім жа чынам, вы не можаце стварыць і знішчыць энергію і імпульс. Трэба кудысьці ісці. Калі любая калекцыя матэрыялаў руйнуецца да радыусу, меншага, чым радыус гарызонту падзей, то і гэты кутні імпульс захоўваецца ўнутры.

Гэта нармальна! Эйнштэйн выклаў сваю тэорыю агульнай адноснасці ў 1915 годзе, і толькі праз некалькі месяцаў Карл Шварцшыльд знайшоў першае дакладнае рашэнне: для кропкавай масы, такой жа, як і сферычная чорная дзірка. Наступны крок у мадэляванні гэтай праблемы больш рэалістычным спосабам - разгледзець, што, калі чорная дзірка таксама мае імпульс, а не маса толькі, - не было вырашана, пакуль Рой Кер не знайшоў дакладнага рашэння ў 1963 годзе.

Дакладнае рашэнне чорнай дзіркі як з масай, так і з вуглавым імпульсам было знойдзена Роем Кэрам у 1963 годзе. Ён выявіў, а не адзіны гарызонт падзей з кропкавай асаблівасцю, унутраным і знешнім гарызонтам падзей, а таксама ўнутраным і знешняя эргасфера, плюс кольцавая незвычайнасць істотнага радыусу. (MATT VISSER, ARXIV: 0706.0622)

Ёсць некалькі прынцыповых і важных адрозненняў паміж больш наіўным, простым рашэннем Шварцшыльда і больш рэалістычным і складаным рашэннем Кер. Ні ў якім канкрэтным парадку, вось некаторыя займальныя кантрасты:

  1. Замест адзінага рашэння, дзе знаходзіцца гарызонт падзей, чорная дзірка, якая верціцца, мае два матэматычныя рашэнні: унутраны і знешні гарызонт падзей.
  2. За межамі нават знешняга гарызонту падзей ёсць месца, якое называецца эргасфера, дзе сама прастора перацягваецца з хуткасцю кручэння, роўнай хуткасці святла, а часціцы, якія трапляюць туды, адчуваюць велізарныя паскарэнні.
  3. Існуе максімальнае стаўленне імпульсу кута да масы, якое дазволена; калі ёсць занадта вялікі вуглавы імпульс, чорная дзірка будзе выпраменьваць гэтую энергію (пры дапамозе гравітацыйнага выпраменьвання), пакуль яна не будзе ніжэй за гэтую мяжу.
  4. І, мабыць, найбольш займальна, незвычайнасць у цэнтры чорнай дзіры - гэта ўжо не кропка, а хутчэй 1-мернае кольца, дзе радыус кольца вызначаецца масай і імпульсам чорнай дзіркі.
Бачныя / блізкія да інфрачырвонага фотаздымкі з Хабла паказваюць масіўную зорку, прыблізна ў 25 разоў масу Сонца, якая падміргнула да існавання, не маючы звышновай і іншага тлумачэння. Прамы калапс - адзінае разумнае тлумачэнне кандыдата, і адзін з вядомых спосабаў, акрамя зліцця звышновых або нейтронных зорак, сфармаваць чорную дзірку. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

Усё гэта дакладна для верціцца чорнай дзіркі з таго моманту, як вы ўпершыню ствараеце гарызонт падзей. Зорка высокай масы можа сысці звышновай, дзе круцістае ядро ​​выбухае і развальваецца да чорнай дзіркі, і ўсё гэта будзе дакладна. На самай справе, ёсць нават нейкая надзея, што калі звышновая сыдзе ў нашу ўласную лакальную групу, LIGO зможа выявіць гравітацыйныя хвалі па хутка развіваецца чорнай дзірцы.

Калі ўтварылася чорная дзірка з зліцця нейтроннай зоркі-нейтроннай зоркі альбо непасрэднага распаду зорнай ці газавай хмары, тыя ж магчымасці справядліва. Але як толькі ваша чорная дзірка існуе, яе вуглавы імпульс можа пастаянна мяняцца па меры падзення новай матэрыі ці матэрыялу. Памер гарызонту падзей можа павялічвацца, а памер сінгулярнасці і эргасферы можа расці альбо змяншацца ў залежнасці ад імпульсу новага матэрыялу. што дадаецца.

Дзякуючы ўласцівасцям верціцца, перацягнутай прасторы побач з рэалістычнай чорнай дзіркай з вуглавым імпульсам, асобныя часціцы, якія ўтвараюць плоскія арбіты вакол не круцяцца масаў, набываюць вялікую форму, падобную на тору ў трох вымярэннях. (MAARTEN VAN DE MEENT / WIKIMEDIA COMMONS)

Гэта прыводзіць да нейкіх займальных паводзін, якіх вы можаце не чакаць. У выпадку чорнай дзіркі, якая не верціцца, часцінка рэчывы па-за ёй можа выляцець на арбіту, вырвацца ці ўпасці ўнутр, але застанецца ў адной плоскасці. Аднак, калі чорная дзірка круціцца, яна цягнецца вакол усіх трох вымярэнняў, дзе яна запоўніць вобласць, падобную на тору, акружае экватар чорнай дзіры.

Існуе таксама важнае адрозненне паміж матэматычным і фізічным рашэннем. Калі б я сказаў вам, што ў мяне (квадратны корань з 4) апельсінаў, вы зрабілі б выснову, што ў мяне былі 2 апельсіны. Матэматычна можна было б зрабіць так, каб я меў -2 апельсіны, таму што квадратны корань з 4 можа быць так жа лёгка -2, як можа быць +2. Але ў фізіцы ёсць толькі адно змястоўнае рашэнне. Як ужо даўно адзначаюць навукоўцы:

… Вы не павінны фізічна давяраць унутранаму гарызонту ці ўнутранай паверхні. Хоць яны, безумоўна, існуюць у якасці матэматычных рашэнняў дакладных вакуумных ураўненняў Эйнштэйна, ёсць добрыя фізічныя прычыны падазраваць, што вобласць унутранага гарызонту і ўнутры яго, які можа быць паказаны гарызонтам Кошы, груба нестабільны - нават класічна - і Наўрад ці ўтварыцца ў якім-небудзь рэальным астрафізічным калапсе.
Цень (чорны) і гарызонты і эргасферы (белы) верціцца чорнай дзіркай. Колькасць a, намаляваная на малюнку, мае дачыненне да суадносін імпульсу чорнай дзіркі і яе масы. Звярніце ўвагу, што цень, якую бачыць тэлескоп

Цяпер, калі мы ўпершыню назіраем гарызонт падзей чорнай дзіры, дзякуючы неверагодным поспехам тэлескопа "Гарызонт падзей", навукоўцы змаглі параўнаць свае назіранні з тэарэтычнымі прагнозамі. Праводзячы разнастайныя мадэляванні, якія падрабязна паведамляюць пра тое, якія сігналы чорных дзірак рознай масы, круціцца, арыенціруюцца і павялічваюць патокі рэчываў, яны змаглі прыдумаць як мага лепш убачанае. Хоць існуе некалькі істотных нявызначанасцей, чорная дзірка ў цэнтры M87 выглядае так:

  • круціцца на 94% ад максімальнай хуткасці,
  • з аднамернай асаблівасцю кольца дыяметрам ~ 118 АС (больш арбіты Плутона),
  • а вось круцільная вось накіравана ад Зямлі пры ~ 17 °,
  • і што ўсе назіранні адпавядаюць чорнай дзіры Кер (якая прыхільная да Шварцшыльда).
У красавіку 2017 года ўсе 8 масіваў тэлескопаў / тэлескопаў, звязаных з тэлескопам

Мабыць, самым глыбокім вымярэннем усяго гэтага з'яўляецца тое, што ў верціцца прасторы-часе сама прастора сапраўды можа рухацца без якога-небудзь абмежавання хуткасці. Гэта толькі рух матэрыі і энергіі праз космас, абмежаваны хуткасцю святла; Сама прастора не мае такога абмежавання хуткасці. У выпадку чорнай дзіркі, якая верціцца, ёсць прастора за межамі гарызонту падзей, дзе прастора цягнецца вакол чорнай дзіркі са хуткасцю хутчэй хуткасці святла, і гэта проста цудоўна. Справа па-ранейшаму не можа рухацца праз гэтую прастору са хуткасцямі, якія перавышаюць максімальную касмічную хуткасць, і ўсё гэта адпавядае як адноснасці, так і таму, што мы назіраем.

Па меры таго, як выяўляецца ўсё больш чорных дзірак, і ўсё больш і больш паляпшаюцца назіранні, мы цалкам разлічваем даведацца яшчэ больш пра фізіку рэальных, якія круцяцца чорных дзірак. Але да гэтага ведайце, што наша тэорыя і назіранне кіруюць намі ў вельмі глыбокім, самастойным і - найперш - найбліжэйшым збліжэнні рэальнасці, якую мы маем у цяперашні час.

Дасылайце пытанні, якія задаюць Ітана, на startwithabang па адрасе gmail dot com!

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі: Beyond The Galaxy, іTreknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.