หลุมดำทำงานอย่างไร

คุณอาจเคยได้ยินคนพูดว่า "โต๊ะของฉันกลายเป็นหลุมดำ!" คุณอาจเคยเห็นรายการดาราศาสตร์ทางโทรทัศน์หรืออ่านบทความในนิตยสารเกี่ยวกับหลุมดำ วัตถุแปลกตาเหล่านี้จับจินตนาการของเราได้ตั้งแต่ถูกทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ ไอน์สไตน์ ในปี 1915

หลุมดำคืออะไร? พวกมันมีอยู่จริงหรือ? เราจะพบพวกเขาได้อย่างไร? ในบทความนี้ เราจะตรวจสอบหลุมดำและตอบคำถามเหล่านี้ทั้งหมด!

สารบัญ

1. หลุมดำคืออะไร?
2. ประเภทของหลุมดำ
3. เราตรวจจับหลุมดำได้อย่างไร

หลุมดำ คือสิ่งที่หลงเหลืออยู่เมื่อ ดาวมวลสูงดับลง

หากคุณเคยอ่านHow Stars Workคุณจะรู้ว่าดาวฤกษ์เป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน ขนาดใหญ่ที่ น่า ทึ่ง เนื่องจากดาวฤกษ์มีมวลมากและประกอบด้วยก๊าซ มีสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงที่พยายามจะยุบดาวอยู่เสมอ ปฏิกิริยาฟิวชันที่เกิดขึ้นในแกนกลางคล้ายกับระเบิดฟิวชัน ขนาดยักษ์ ที่พยายามจะระเบิดดาว ความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงระเบิดคือสิ่งที่กำหนดขนาดของดาวฤกษ์

เมื่อดาวฤกษ์ตาย ปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิวชันจะหยุดลงเนื่องจากเชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยาเหล่านี้ถูกเผาไหม้ ในเวลาเดียวกัน แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ดึงวัสดุเข้าด้านในและบีบอัดแกนกลาง ในขณะที่แกนกลางบีบอัด มันจะร้อนขึ้นและในที่สุดก็สร้างการระเบิดของซุปเปอร์โนวาซึ่งวัสดุและการแผ่รังสีจะระเบิดออกสู่อวกาศ สิ่งที่เหลืออยู่คือแกนกลางที่มีการบีบอัดสูงและใหญ่มาก แรงโน้มถ่วงของแกนกลางนั้นแรงมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีได้

วัตถุนี้เป็นหลุมดำและหายไปจากสายตาอย่างแท้จริง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของแกนมีความแข็งแรงมาก แกนจึงจมลงไปในโครงสร้างของกาลอวกาศทำให้เกิดหลุมในอวกาศ-เวลา นี่คือสาเหตุที่วัตถุถูกเรียกว่าหลุมดำ

แกนกลางกลายเป็นส่วนกลางของหลุมดำที่เรียกว่าภาวะภาวะภาวะเอกฐาน การเปิดหลุมเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์

คุณสามารถนึกถึงขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นปากหลุมดำได้ เมื่อบางสิ่งผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว สิ่งนั้นก็จะหายไป เมื่ออยู่ในขอบฟ้าเหตุการณ์ "เหตุการณ์" ทั้งหมด (ชี้ในกาลอวกาศ) จะหยุดลง และไม่มีสิ่งใด (แม้แต่แสงสว่าง) ก็สามารถหลบหนีได้ รัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์เรียกว่ารัศมี Schwarzschildซึ่งตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ Karl Schwarzschild ซึ่งผลงานของเขานำไปสู่ทฤษฎีหลุมดำ

ประวัติศาสตร์

แนวคิดของวัตถุที่แสงไม่สามารถหลบหนีออกมาได้ (เช่น หลุมดำ) ถูกเสนอโดยปิแอร์ ไซมอน ลาปลาซในปี ค.ศ. 1795 โดยใช้ทฤษฎีแรงโน้มถ่วง ของนิวตัน ลาปลาซได้คำนวณว่าหากวัตถุถูกบีบอัดให้มีรัศมีที่เล็กพอ ก็จะเกิดการหลบหนี ความเร็วของวัตถุนั้นจะเร็วกว่าความเร็วแสง

หลุมดำมีสองประเภท:

หลุม ดำ ชวา ร์ซชิลด์ เป็นหลุมดำที่ง่ายที่สุดซึ่งแกนกลางไม่หมุน หลุมดำประเภทนี้มีเพียงภาวะเอกฐานและขอบฟ้าเหตุการณ์เท่านั้น

หลุม ดำ เคอร์ซึ่งน่าจะเป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุดในธรรมชาตินั้นหมุนรอบเนื่องจากดาวฤกษ์ที่มันก่อตัวขึ้นนั้นกำลังหมุนอยู่ เมื่อดาวฤกษ์ที่โคจรยุบตัวลง แกนกลางยังคงหมุนต่อไป และจะเคลื่อนไปสู่หลุมดำ ( การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ) หลุมดำเคอร์มีส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:

หากวัตถุผ่านเข้าไปในเออร์โกสเฟีย ร์ วัตถุ นั้นยังสามารถถูกขับออกจากหลุมดำได้โดยการรับพลังงานจากการหมุนของรู

อย่างไรก็ตาม หากวัตถุข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุ นั้นจะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำและไม่มีวันหลบหนี สิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำไม่เป็นที่รู้จัก แม้แต่ทฤษฎีฟิสิกส์ในปัจจุบันของเราก็ยังใช้ไม่ได้กับภาวะภาวะภาวะเอกฐาน

แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นหลุมดำ แต่ก็มีคุณสมบัติสามประการที่สามารถวัดหรือวัดได้:

ณ ตอนนี้ เราสามารถวัดมวลของหลุมดำได้อย่างน่าเชื่อถือโดยการเคลื่อนที่ของวัตถุอื่นๆ รอบมันเท่านั้น หากหลุมดำมีดาวข้างเคียง (ดาวฤกษ์อื่นหรือจานดิสก์ของวัสดุ) ก็เป็นไปได้ที่จะวัดรัศมีการหมุนหรือความเร็วของวงโคจรของวัสดุรอบหลุมดำที่มองไม่เห็น มวลของหลุมดำสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎข้อที่สามของการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ที่ถูกดัดแปลงของเคปเลอร์หรือ การเคลื่อนที่ แบบหมุน

 

แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นหลุมดำ แต่เราสามารถตรวจจับหรือคาดเดาการปรากฏตัวของหลุมดำได้โดยการวัดผลกระทบของหลุมดำที่มีต่อวัตถุรอบๆ อาจใช้เอฟเฟกต์ต่อไปนี้:

มวล

หลุมดำจำนวนมากมีวัตถุอยู่รอบๆ และเมื่อดูพฤติกรรมของวัตถุแล้ว คุณก็จะสามารถตรวจจับการปรากฏตัวของหลุมดำได้ จากนั้นคุณใช้การวัดการเคลื่อนที่ของวัตถุรอบหลุมดำที่น่าสงสัยในการคำนวณมวลของหลุมดำ

สิ่งที่คุณมองหาคือดาวฤกษ์หรือจานก๊าซที่มีพฤติกรรมราวกับว่ามีมวลมหาศาลอยู่ใกล้ๆ ตัวอย่างเช่น ถ้าดาวหรือจานก๊าซที่มองเห็นได้มีการเคลื่อนที่หรือหมุน "โยกเยก" และไม่มีเหตุผลที่มองเห็นได้สำหรับการเคลื่อนที่นี้ และ เหตุผลที่มองไม่เห็นมีผลที่ดูเหมือนว่าจะเกิดจากวัตถุที่มีมวลมากกว่าสาม มวลดวงอาทิตย์ (ใหญ่เกินกว่าจะเป็นดาวนิวตรอน) เป็นไปได้ว่าหลุมดำจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ จากนั้นคุณประเมินมวลของหลุมดำโดยดูจากผลกระทบที่หลุมดำมีต่อวัตถุที่มองเห็นได้

ตัวอย่างเช่น ในแกนกลางของดาราจักร NGC 4261 มีจานสีน้ำตาลรูปก้นหอยที่หมุนอยู่ ดิสก์มีขนาดประมาณระบบสุริยะของเรา แต่หนัก 1.2 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มวลมหาศาลสำหรับดิสก์อาจบ่งบอกว่ามีหลุมดำอยู่ภายในดิสก์

เลนส์แรงโน้มถ่วง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายว่าแรงโน้มถ่วงสามารถดัดอวกาศได้ สิ่งนี้ได้รับการยืนยันในเวลาต่อมาระหว่างสุริยุปราคาเมื่อวัดตำแหน่งของดาวก่อน ระหว่าง และหลังสุริยุปราคา ตำแหน่งของดาวเปลี่ยนไปเพราะแสงจากดาวเอียงโดยแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ดังนั้น วัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล (เช่น กาแลคซี่หรือหลุมดำ) ระหว่างโลกกับวัตถุที่อยู่ห่างไกลสามารถทำให้แสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลกลายเป็นโฟกัสได้ เช่นเดียวกับเลนส์ เอฟเฟกต์นี้สามารถเห็นได้ในภาพด้านล่าง

ในภาพ ความสว่างของ MACHO-96-BL5 เกิดขึ้นเมื่อเลนส์โน้มถ่วงเคลื่อนผ่านระหว่างมันกับโลก เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลมองไปที่วัตถุ จะเห็นภาพของวัตถุสองภาพอยู่ใกล้กัน ซึ่งบ่งชี้ถึงผลกระทบของเลนส์โน้มถ่วง วัตถุที่ขวางอยู่นั้นมองไม่เห็น ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าหลุมดำได้ผ่านระหว่างโลกกับวัตถุ

รังสีที่ปล่อยออกมา

เมื่อสสารตกลงไปในหลุมดำจากดาวข้างเคียง มันจะร้อนขึ้นถึงหลายล้านองศาเคลวินและเร่งความเร็วขึ้น วัสดุที่มีความร้อนยวดยิ่งจะปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งสามารถตรวจจับได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ เอ็กซ์เรย์ เช่นหอดูดาวเอ็กซ์เรย์จันทรา ที่โคจร อยู่

ดาว Cygnus X-1 เป็นแหล่งรังสีเอกซ์ที่แข็งแกร่งและถือเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับหลุมดำ ดังภาพด้านบนลมดาวฤกษ์จากดาวข้างเคียง HDE 226868 พัดวัสดุเข้าสู่ดิสก์สะสมกำลังรอบหลุมดำ เมื่อสสารนี้ตกลงไปในหลุมดำ มันจะปล่อยรังสีเอกซ์ดังที่เห็นในภาพนี้:

นอกจากรังสีเอกซ์แล้ว หลุมดำยังสามารถขับวัสดุออกด้วยความเร็วสูงเพื่อสร้างไอพ่น มีการสังเกตกาแลคซีหลายแห่งด้วยเครื่องบินไอพ่นดังกล่าว ปัจจุบัน คาดว่าดาราจักรเหล่านี้มีหลุมดำมวลมหาศาล (มวลดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่า) ที่จุดศูนย์กลางซึ่งทำให้เกิดไอพ่นและการปล่อยคลื่นวิทยุ ที่รุนแรง ตัวอย่างหนึ่งคือกาแล็กซี่ M87 ดังที่แสดงด้านล่าง:

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าหลุมดำไม่ใช่เครื่องดูดฝุ่น ในจักรวาล แต่จะไม่กินทุกอย่าง แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นหลุมดำ แต่ก็มีหลักฐานทางอ้อมว่ามีอยู่จริง พวกเขาเกี่ยวข้องกับการเดินทางข้ามเวลาและรูหนอนและยังคงเป็นวัตถุที่น่าสนใจในจักรวาล

เผยแพร่ครั้งแรก: 26 พ.ย. 2549

หลุมดำทำมาจากอะไร?

มีหลุมดำกี่แห่ง?

ข้อมูลเพิ่มเติมมากมาย