คำว่าหลุมดำ หลุมดำ. ข้อเท็จจริงและทฤษฎี หลุมดำคือมนุษย์กินคน

หลุมดำเป็นพื้นที่จำกัดของอวกาศซึ่งแรงโน้มถ่วงมีมากจนแม้แต่โฟตอนของการแผ่รังสีแสงก็ไม่สามารถปล่อยพวกมันออกไปได้ และไม่สามารถหลบหนีจากการโอบกอดแรงโน้มถ่วงอย่างไร้ความปราณี

หลุมดำก่อตัวอย่างไร?

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอาจมีหลุมดำหลายชนิด สปีชีส์หนึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อดาวฤกษ์อายุมากมวลมรณะ ดวงดาวเกิดและดับทุกวันในจักรวาล

หลุมดำอีกประเภทหนึ่งเชื่อว่าเป็นมวลมืดมหึมาที่ใจกลางกาแลคซี วัตถุสีดำขนาดมหึมาก่อตัวขึ้นจากดวงดาวนับล้าน ในที่สุดก็มีหลุมดำขนาดเล็กขนาดเท่าเข็มหมุดหรือหินอ่อนขนาดเล็ก หลุมดำดังกล่าวก่อตัวขึ้นเมื่อมีมวลค่อนข้างน้อยถูกทำให้แบนจนมีขนาดเล็กจนคาดไม่ถึง

หลุมดำประเภทแรกเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 8-100 เท่า สิ้นสุดเส้นทางชีวิตของมันด้วยการระเบิดครั้งใหญ่ สิ่งที่เหลืออยู่ของดาวฤกษ์ดังกล่าวจะหดตัวลงหรือเมื่อพูดตามหลักวิทยาศาสตร์แล้ว ก็ทำให้เกิดการยุบตัว ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง การอัดตัวของอนุภาคของดาวจะแน่นขึ้นเรื่อยๆ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าในใจกลางกาแลคซีของเรา - ทางช้างเผือก - มีหลุมดำขนาดใหญ่ซึ่งมีมวลเกินกว่ามวลของดวงอาทิตย์นับล้านดวง

ทำไมหลุมดำถึงเป็นสีดำ?

แรงโน้มถ่วงเป็นเพียงแรงดึงดูดของส่วนหนึ่งของสสารไปยังอีกส่วนหนึ่ง ดังนั้น ยิ่งสสารรวมตัวกันในที่เดียวมากเท่าใด แรงดึงดูดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น บนพื้นผิวของดาวฤกษ์ที่มีความหนาแน่นสูง เนื่องจากมวลมหาศาลกระจุกตัวอยู่ในปริมาตรที่จำกัดเพียงดวงเดียว แรงดึงดูดนั้นยิ่งใหญ่เกินจินตนาการ

น่าสนใจ:

ชื่อของกาแลคซี่ - คำอธิบาย ภาพถ่ายและวิดีโอ photo

เมื่อดาวหดตัวลงต่อไป แรงดึงดูดจะเพิ่มขึ้นอย่างมากจนไม่มีแสงใดจะเปล่งออกมาจากพื้นผิวของมัน สสารและแสงถูกดูดกลืนโดยดาวฤกษ์อย่างไม่สามารถแก้ไขได้ จึงเรียกว่าหลุมดำ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำขนาดมหึมาขนาดมหึมาดังกล่าว พวกเขาชี้กล้องดูดาวของพวกเขาซ้ำแล้วซ้ำเล่าไปยังศูนย์กลางของกาแลคซี รวมถึงศูนย์กลางของกาแลคซีของเรา เพื่อสำรวจพื้นที่แปลก ๆ เหล่านี้และในที่สุดก็ได้รับหลักฐานของการมีอยู่ของหลุมดำประเภทที่สอง

นักวิทยาศาสตร์ได้รับความสนใจจากดาราจักร NGC4261 มานานแล้ว จากใจกลางของดาราจักรนี้มีสสารสองภาษาขนาดยักษ์ แต่ละภาษามีความยาวหลายพันปีแสง (ลองนึกภาพความยาวที่น่าทึ่งของภาษาเหล่านี้ จำไว้ว่าหนึ่งปีแสงมีระยะทางประมาณ 9.6 ล้านล้านกิโลเมตร) จากการสังเกตภาษาเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่ามีหลุมดำขนาดใหญ่ซ่อนตัวอยู่ในใจกลางดาราจักร NGC4261 ในปีพ.ศ. 2535 ได้ภาพที่ชัดเจนอย่างยิ่งของใจกลางดาราจักรลึกลับโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศอันทรงพลัง เลนส์ที่ทำขึ้นโดยใช้แรงโน้มถ่วงเป็นศูนย์

และนักดาราศาสตร์เห็นกระจุกดาวทรงกลมที่มีฝุ่น เรืองแสง และหมุนวนซึ่งมีสสารหลายร้อยปีแสง นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำว่าจุดศูนย์กลางของ "โดนัท" นี้คือหลุมดำขนาดมหึมา ซึ่งเพียงพอสำหรับดาว 10 ล้านดวง สสารที่เหลือของกาแล็กซีหมุนรอบรู เหมือนกับน้ำรอบๆ ช่องทางของท่อระบายน้ำ และค่อยๆ ดูดกลืนโดยแรงโน้มถ่วงของรู

หลุมดำเล็กๆ

หลุมดำขนาดเล็ก หากมีอยู่จริง ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาที่มีการบีบอัดสสารที่รุนแรงที่สุด ซึ่งเกิดขึ้นก่อนการเกิดของจักรวาล รูเหล่านั้นซึ่งมีขนาดเท่าหัวเข็มหมุดอาจระเหยไปแล้ว แต่รูที่ใหญ่กว่านั้นอาจถูกซ่อนอยู่ที่ไหนสักแห่งในจักรวาล ถ้าโลกกลายเป็นหลุมดำ มันจะไม่ใหญ่กว่าลูกปิงปอง

หลุมดำอาจเป็นวัตถุลึกลับที่สุดในจักรวาล แน่นอนว่ามีบางสิ่งซ่อนอยู่ในส่วนลึก ซึ่งเราไม่รู้และไม่สามารถรู้ได้ ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ หลุมดำเป็นหลุมดำที่มีมวลและความหนาแน่นมหาศาล บีบอัดให้เป็นจุดเดียวที่มีรัศมีขนาดเล็ก คุณสมบัติทางกายภาพของวัตถุเหล่านี้แปลกมากจนทำให้นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ซับซ้อนที่สุด Sabine Hossfender นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ได้รวบรวมข้อเท็จจริงสิบประการเกี่ยวกับหลุมดำที่ทุกคนควรรู้

หลุมดำคืออะไร?

คุณสมบัติที่กำหนดของหลุมดำคือขอบฟ้า นี่เป็นเขตแดนที่เกินกว่าจะกลับคืนมา แม้แต่แสงสว่าง หากพื้นที่ที่แยกออกจากกันนั้นถูกแยกออกจากกันตลอดไป เรากำลังพูดถึง "ขอบฟ้าเหตุการณ์" หากแยกจากกันชั่วคราว เรากำลังพูดถึง "ขอบฟ้าที่มองเห็นได้" แต่ "ชั่วคราว" นี้อาจหมายความว่าภูมิภาคจะถูกแยกออกจากกันนานกว่าอายุปัจจุบันของจักรวาล หากขอบฟ้าของหลุมดำอยู่ชั่วคราวแต่มีอายุยืนยาว ความแตกต่างระหว่างอันแรกกับอันที่สองจะพร่ามัว

หลุมดำใหญ่แค่ไหน?

คุณสามารถจินตนาการถึงขอบฟ้าของหลุมดำเป็นทรงกลม และเส้นผ่านศูนย์กลางของมันจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของหลุมดำ ดังนั้น ยิ่งมวลตกลงไปในหลุมดำมากเท่าใด หลุมดำก็จะยิ่งมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับวัตถุที่เป็นตัวเอก หลุมดำมีขนาดเล็ก เนื่องจากมวลถูกบีบอัดเป็นปริมาตรที่น้อยมากภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่ท่วมท้น ตัวอย่างเช่น รัศมีของหลุมดำที่มีมวลดาวเคราะห์โลก มีขนาดเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ซึ่งน้อยกว่ารัศมีปัจจุบันของโลก 10,000,000,000 เท่า

รัศมีของหลุมดำเรียกว่ารัศมีชวาร์ซชิลด์ตามชื่อคาร์ล ชวาร์ซชิลด์ ซึ่งเป็นคนแรกที่อนุมานหลุมดำเป็นคำตอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

เกิดอะไรขึ้นบนขอบฟ้า?

เมื่อคุณข้ามขอบฟ้า ไม่มีอะไรพิเศษเกิดขึ้นรอบตัวคุณ ทั้งหมดเป็นเพราะหลักการสมมูลของไอน์สไตน์ ซึ่งตามมาด้วยว่าคุณไม่พบความแตกต่างระหว่างการเร่งความเร็วในพื้นที่ราบกับสนามโน้มถ่วง ซึ่งสร้างความโค้งของอวกาศ อย่างไรก็ตาม ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจากหลุมดำที่กำลังเฝ้าดูคนอื่นตกลงไปในหลุมนั้นจะสังเกตเห็นว่าบุคคลนั้นจะเคลื่อนที่ช้าลงเรื่อยๆ ใกล้ขอบฟ้า ราวกับว่าเวลาเคลื่อนตัวช้ากว่าขอบฟ้าเหตุการณ์มากกว่าที่เคลื่อนออกจากขอบฟ้า อย่างไรก็ตาม เวลาจะผ่านไป และผู้สังเกตการณ์ที่ตกลงไปในหลุมจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์และพบว่าตัวเองอยู่ในรัศมีชวาร์ซชิลด์

สิ่งที่คุณประสบบนขอบฟ้าขึ้นอยู่กับแรงคลื่นของสนามโน้มถ่วง แรงน้ำขึ้นน้ำลงบนขอบฟ้าเป็นสัดส่วนผกผันกับกำลังสองของมวลหลุมดำ ซึ่งหมายความว่ายิ่งหลุมดำมีขนาดใหญ่และมวลมากเท่าใด แรงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น และถ้ามีเพียงหลุมดำที่มีมวลมากพอ คุณก็สามารถข้ามขอบฟ้าได้ ก่อนที่คุณจะสังเกตเห็นว่ามีบางอย่างเกิดขึ้น ผลกระทบของกระแสน้ำเหล่านี้จะทำให้คุณยืดเยื้อ: ศัพท์เทคนิคที่นักฟิสิกส์ใช้สำหรับสิ่งนี้คือการทำให้เป็นสปาเก็ตตี้

ในยุคแรก ๆ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เชื่อกันว่ามีภาวะเอกฐานอยู่บนขอบฟ้า แต่กลับกลายเป็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

มีอะไรอยู่ในหลุมดำ?

ไม่มีใครรู้แน่ชัด แต่ไม่ใช่ชั้นวางหนังสืออย่างแน่นอน ทำนายว่ามีภาวะเอกฐานในหลุมดำ ที่ซึ่งแรงไทดัลมีขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุด และเมื่อคุณข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ คุณจะไม่สามารถไปที่อื่นใดนอกจากภาวะภาวะภาวะภาวะเอกฐานอีกต่อไป ดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะไม่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในสถานที่เหล่านี้ เพราะมันไม่ได้ผล ในการบอกว่าเกิดอะไรขึ้นในหลุมดำ เราจำเป็นต้องมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าทฤษฎีนี้จะแทนที่ภาวะเอกฐานด้วยสิ่งอื่น

หลุมดำก่อตัวอย่างไร?

ขณะนี้เราทราบถึงสี่วิธีที่ต่างกันที่หลุมดำก่อตัวขึ้น ความเข้าใจที่ดีที่สุดเกี่ยวข้องกับการล่มสลายของดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่พอจะก่อตัวเป็นหลุมดำหลังจากที่นิวเคลียร์ฟิวชันหยุดลง เพราะทุกสิ่งทุกอย่างที่สามารถสังเคราะห์ได้แล้วได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นแล้ว เมื่อความดันที่เกิดจากฟิวชั่นหยุดลง สสารจะเริ่มตกสู่จุดศูนย์ถ่วงของตัวมันเอง กลายเป็นความหนาแน่นมากขึ้น ในที่สุด มันก็กลายเป็นความหนาแน่นมากจนไม่มีอะไรสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงบนพื้นผิวของดาวได้ นั่นคือสาเหตุที่หลุมดำถือกำเนิดขึ้น หลุมดำเหล่านี้เรียกว่า "หลุมดำมวลสุริยะ" และพบได้บ่อยที่สุด

หลุมดำทั่วไปประเภทต่อไปคือ "หลุมดำมวลมหาศาล" ซึ่งสามารถพบได้ที่จุดศูนย์กลางของกาแลคซีหลายแห่งและมีมวลประมาณหนึ่งพันล้านเท่าของหลุมดำสุริยะ ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร เชื่อกันว่าครั้งหนึ่งพวกเขาเริ่มเป็นหลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์ที่กลืนดาวอื่นๆ จำนวนมากในใจกลางดาราจักรที่มีประชากรหนาแน่นและเติบโตขึ้น อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนว่าพวกมันจะดูดซับสสารได้เร็วกว่าที่แนวคิดง่ายๆ นี้แนะนำ และวิธีที่พวกเขาทำนั้นยังคงเป็นเรื่องของการวิจัย

แนวคิดที่ขัดแย้งกันมากขึ้นได้กลายเป็นหลุมดำยุคแรกเริ่ม ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้จากมวลแทบใดๆ ก็ตามที่มีความผันผวนของความหนาแน่นมากในเอกภพยุคแรก แม้ว่าจะเป็นไปได้ แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะหาแบบจำลองที่ผลิตได้โดยไม่สร้างมากเกินไป

ในที่สุดก็มีแนวคิดที่คาดเดาได้มากว่าหลุมดำขนาดเล็กที่มีมวลใกล้เคียงกับของฮิกส์โบซอนสามารถก่อตัวขึ้นที่ Large Hadron Collider สิ่งนี้ใช้ได้ก็ต่อเมื่อจักรวาลของเรามีมิติพิเศษ จนถึงตอนนี้ยังไม่มีการยืนยันใด ๆ เกี่ยวกับทฤษฎีนี้

เราจะรู้ได้อย่างไรว่าหลุมดำมีอยู่จริง?

เรามีหลักฐานเชิงสังเกตมากมายสำหรับวัตถุขนาดกะทัดรัดที่มีมวลมากซึ่งไม่ปล่อยแสง วัตถุเหล่านี้ปลดปล่อยตัวเองออกไปด้วยแรงดึงดูด เช่น เนื่องจากการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์อื่นหรือเมฆก๊าซรอบตัวมัน พวกเขายังสร้างเลนส์โน้มถ่วง เรารู้ว่าวัตถุเหล่านี้ไม่มีพื้นผิวที่เป็นของแข็ง สิ่งนี้ตามมาจากการสังเกต เนื่องจากสสารที่ตกลงมาบนวัตถุที่มีพื้นผิวควรทำให้เกิดการปลดปล่อยอนุภาคมากกว่าสสารที่ตกลงมาในขอบฟ้า

ทำไมฮอว์คิงถึงบอกเมื่อปีที่แล้วว่าไม่มีหลุมดำ?

เขาหมายความว่าหลุมดำไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์นิรันดร์ แต่มีเพียงขอบฟ้าที่ปรากฏชั่วคราวเท่านั้น (ดูย่อหน้าที่หนึ่ง) ในแง่ที่เคร่งครัด เฉพาะขอบฟ้าเหตุการณ์เท่านั้นที่ถือเป็นหลุมดำ

หลุมดำปล่อยรังสีอย่างไร?

หลุมดำปล่อยรังสีจากผลกระทบของควอนตัม สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าสิ่งเหล่านี้เป็นผลควอนตัมของสสาร ไม่ใช่ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของควอนตัม กาลอวกาศแบบไดนามิกของหลุมดำที่กำลังยุบตัวจะเปลี่ยนคำจำกัดความของอนุภาค เช่นเดียวกับกาลเวลาที่บิดเบี้ยวถัดจากหลุมดำ แนวคิดเรื่องอนุภาคขึ้นอยู่กับผู้สังเกตมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อผู้สังเกตการณ์ตกลงไปในหลุมดำคิดว่าเขากำลังตกลงไปในสุญญากาศ ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลจากหลุมดำจะคิดว่านี่ไม่ใช่สุญญากาศ แต่เป็นพื้นที่ที่เต็มไปด้วยอนุภาค การยืดเยื้อของกาลอวกาศทำให้เกิดผลกระทบนี้

ค้นพบครั้งแรกโดย Stephen Hawking รังสีที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำเรียกว่ารังสี Hawking การแผ่รังสีนี้มีอุณหภูมิแปรผกผันกับมวลของหลุมดำ ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กเท่าใด อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น หลุมดำที่เป็นตัวเอกและขนาดมหึมาที่เรารู้จักมีอุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิพื้นหลังไมโครเวฟมาก ดังนั้นจึงไม่มีการสังเกตพบ

ความขัดแย้งของข้อมูลคืออะไร?

ความขัดแย้งในการสูญหายของข้อมูลเกิดจากรังสีของฮอว์คิง การแผ่รังสีนี้เป็นความร้อนอย่างหมดจด กล่าวคือ มีอุณหภูมิโดยบังเอิญและมีคุณสมบัติบางอย่างเท่านั้น รังสีเองไม่มีข้อมูลว่าหลุมดำก่อตัวอย่างไร แต่เมื่อหลุมดำแผ่รังสีออกมา มันจะสูญเสียมวลและหดตัว ทั้งหมดนี้เป็นอิสระจากสารที่กลายเป็นส่วนหนึ่งของหลุมดำหรือจากการที่มันถูกสร้างขึ้น ปรากฎว่ารู้เพียงสถานะการระเหยสุดท้ายเท่านั้นเราไม่สามารถพูดได้ว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นอย่างไร กระบวนการนี้ "ไม่สามารถย้อนกลับได้" - และสิ่งที่จับได้คือไม่มีกระบวนการดังกล่าวในกลศาสตร์ควอนตัม

ปรากฎว่าการระเหยของหลุมดำไม่สอดคล้องกับทฤษฎีควอนตัมอย่างที่เราทราบ และจำเป็นต้องดำเนินการบางอย่างเกี่ยวกับเรื่องนี้ ขจัดความไม่สอดคล้องกันอย่างใด นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่าวิธีแก้ปัญหาคือรังสีของ Hawking ต้องมีข้อมูลอยู่บ้าง

ฮอว์คิงเสนอให้แก้ไขความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำอย่างไร

แนวคิดก็คือหลุมดำต้องมีวิธีการเก็บข้อมูลที่ยังไม่ได้รับการยอมรับ ข้อมูลถูกเก็บไว้ที่ขอบฟ้าของหลุมดำและอาจทำให้เกิดการกระจัดของอนุภาคเล็กๆ ในรังสีของฮอว์คิง ในการกระจัดเล็กๆ เหล่านี้ อาจมีข้อมูลเกี่ยวกับสสารที่ติดอยู่ รายละเอียดที่แน่นอนของกระบวนการนี้ยังไม่ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์กำลังรอเอกสารทางเทคนิคที่มีรายละเอียดเพิ่มเติมจาก Stephen Hawking, Malcolm Perry และ Andrew Strominger พวกเขาบอกว่าจะปรากฏในปลายเดือนกันยายน

ในขณะนี้ เรามั่นใจว่าหลุมดำมีอยู่จริง เรารู้ว่ามันอยู่ที่ไหน ก่อตัวอย่างไร และสุดท้ายจะเป็นอย่างไร แต่รายละเอียดของข้อมูลที่ส่งไปยังพวกเขายังคงเป็นหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของจักรวาล

หลุมดำในฟิสิกส์ถูกกำหนดให้เป็นพื้นที่ในกาลอวกาศ แรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงนั้นยิ่งใหญ่มากจนแม้แต่วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง รวมถึงควอนตัมของแสงเองก็ไม่สามารถปล่อยมันออกไปได้ ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ และขนาดที่มีลักษณะเฉพาะคือรัศมีความโน้มถ่วงซึ่งเรียกว่ารัศมีป่าดำ หลุมดำเป็นวัตถุลึกลับที่สุดในจักรวาล พวกเขาเป็นหนี้ชื่อที่โชคร้ายของพวกเขากับ John Wheeler นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เขาเป็นคนที่บรรยายยอดนิยม "จักรวาลของเรา: รู้จักและไม่รู้จัก" ในปี 2510 เรียกหลุมศพที่หนาแน่นมากเหล่านี้ ก่อนหน้านี้ วัตถุดังกล่าวเรียกว่า "ดาวยุบ" หรือ "ยุบ" แต่คำว่า "หลุมดำ" ได้หยั่งรากแล้ว และมันก็เป็นไปไม่ได้เลยที่จะเปลี่ยนแปลงมัน มีหลุมดำสองประเภทในจักรวาล: 1 - หลุมดำมวลยวดยิ่งซึ่งมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า (เชื่อกันว่าวัตถุดังกล่าวตั้งอยู่ในศูนย์กลางของกาแลคซี); 2 - หลุมดำมวลน้อยกว่าที่เกิดขึ้นจากการกดทับของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ที่กำลังจะตาย มวลของพวกมันมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ถึงสามเท่า เมื่อดาวหดตัว สสารจะมีความหนาแน่นมากขึ้นเรื่อย ๆ และเป็นผลให้แรงโน้มถ่วงของวัตถุเพิ่มขึ้นจนแสงไม่สามารถเอาชนะได้ ทั้งรังสีและสสารไม่สามารถออกจากหลุมดำได้ หลุมดำเป็นแรงโน้มถ่วงที่มีพลังมหาศาล

รัศมีที่ดาวต้องหดตัวเพื่อให้กลายเป็นหลุมดำเรียกว่ารัศมีความโน้มถ่วง สำหรับหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์นั้น อยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่สิบกิโลเมตร ในดาวคู่บางคู่ หนึ่งในนั้นมองไม่เห็นในกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุด แต่มวลขององค์ประกอบที่มองไม่เห็นในระบบแรงโน้มถ่วงนั้นกลับกลายเป็นว่ามีขนาดใหญ่มาก เป็นไปได้มากว่าวัตถุดังกล่าวอาจเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ บางครั้งส่วนประกอบที่มองไม่เห็นในไอระเหยดังกล่าวจะดึงสสารออกจากดาวฤกษ์ปกติ ในกรณีนี้ ก๊าซจะถูกแยกออกจากชั้นนอกของดาวที่มองเห็นได้และตกลงไปในหลุมดำที่มองไม่เห็น แต่ก่อนที่จะตกลงไปในหลุม ก๊าซจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวต่างกันออกไป ซึ่งรวมถึงคลื่นเอ็กซ์เรย์ที่สั้นมาก ยิ่งไปกว่านั้น ใกล้กับดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ก๊าซจะร้อนขึ้นอย่างมากและกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงอันทรงพลังในช่วงเอ็กซ์เรย์และแกมมา รังสีดังกล่าวไม่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก แต่สามารถสังเกตได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ หนึ่งในตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับหลุมดำคือแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ทรงพลังในกลุ่มดาว Cygnus

ส่วนใหญ่เชื่อว่าการค้นพบการมีอยู่ของหลุมดำนั้นเป็นข้อดีของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์

อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์ทำทฤษฎีเสร็จในปี 1916 และจอห์น มิทเชลล์ไตร่ตรองแนวคิดนี้ย้อนหลังไปถึงปี 1783 ไม่ได้ใช้เพราะนักบวชชาวอังกฤษคนนี้ไม่รู้ว่าจะทำอย่างไรกับมัน

มิทเชลล์เริ่มพัฒนาทฤษฎีหลุมดำเมื่อเขารับเอาแนวคิดของนิวตันที่ว่าแสงประกอบด้วยอนุภาควัสดุขนาดเล็กที่เรียกว่าโฟตอน เขาไตร่ตรองการเคลื่อนที่ของอนุภาคแสงเหล่านี้และได้ข้อสรุปว่าขึ้นอยู่กับสนามโน้มถ่วงของดาวที่พวกมันออกไป เขาพยายามคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับอนุภาคเหล่านี้หากสนามโน้มถ่วงใหญ่เกินกว่าที่แสงจะออก

มิทเชลล์ยังเป็นผู้ก่อตั้งแผ่นดินไหววิทยาสมัยใหม่อีกด้วย เขาแนะนำว่าแผ่นดินไหวแพร่กระจายในโลกเหมือนคลื่น

2. พวกเขาดึงดูดพื้นที่รอบตัวพวกเขาจริงๆ

ลองนึกภาพพื้นที่เป็นแผ่นยาง ลองนึกภาพว่าดาวเคราะห์เป็นลูกบอลที่กดทับแผ่นนี้ มันเสียรูปและไม่มีเส้นตรงอีกต่อไป สิ่งนี้สร้างสนามโน้มถ่วงและอธิบายว่าทำไมดาวเคราะห์จึงเคลื่อนที่รอบดาวฤกษ์

หากมวลของวัตถุเพิ่มขึ้น การเสียรูปของอวกาศก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้น การรบกวนเพิ่มเติมเหล่านี้จะเพิ่มแรงโน้มถ่วงและเร่งวงโคจร ทำให้ดาวเทียมเคลื่อนที่รอบวัตถุเร็วขึ้นและเร็วขึ้น

ตัวอย่างเช่น ดาวพุธเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์ด้วยความเร็ว 48 กม. / วินาที ในขณะที่ความเร็วการโคจรของดาวฤกษ์ใกล้หลุมดำในใจกลางกาแลคซีของเราถึง 4800 กม. / วินาที

ถ้าแรงโน้มถ่วงมากพอ ดาวเทียมก็จะชนกับวัตถุขนาดใหญ่

3. หลุมดำไม่เหมือนกันทั้งหมด

เรามักจะคิดว่าหลุมดำทั้งหมดนั้นเป็นสิ่งเดียวกัน อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์เพิ่งค้นพบว่าสามารถจำแนกได้หลายแบบ

มีหลุมดำหมุน หลุมดำที่มีประจุไฟฟ้า และหลุมดำที่มีคุณสมบัติของสองหลุมแรก หลุมดำธรรมดาถูกสร้างขึ้นโดยการดูดซับสสาร และหลุมดำที่หมุนอยู่นั้นเกิดจากการรวมตัวของสองหลุมดังกล่าว

หลุมดำเหล่านี้ใช้พลังงานมากขึ้นเนื่องจากการรบกวนพื้นที่ที่เพิ่มขึ้น หลุมดำหมุนที่มีประจุทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งอนุภาค

หลุมดำชื่อ GRS 1915 + 105 อยู่ห่างจากโลกประมาณ 35,000 ปีแสง หมุนด้วยความเร็ว 950 รอบต่อวินาที

4. ความหนาแน่นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ

หลุมดำต้องมีมวลมากเกินจริงในขนาดที่เล็กอย่างไม่น่าเชื่อ เพื่อสร้างแรงโน้มถ่วงมากพอที่จะกักแสงด้านหลังไว้ ตัวอย่างเช่น หากคุณสร้างหลุมดำที่มีมวลเท่ากับมวลโลก คุณจะได้ลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 9 มม.

หลุมดำซึ่งมีมวล 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ สามารถอยู่ในช่องว่างระหว่างดาวพุธกับดวงอาทิตย์ได้ หลุมดำในใจกลางกาแลคซีอาจมีมวล 10 ถึง 30 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์

มวลขนาดใหญ่เช่นนี้ในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนี้หมายความว่าหลุมดำมีความหนาแน่นอย่างเหลือเชื่อและแรงที่กระทำอยู่ภายในนั้นก็แข็งแกร่งมากเช่นกัน

5. พวกเขาค่อนข้างมีเสียงดัง

ทุกสิ่งที่อยู่รอบๆ หลุมดำถูกดูดเข้าไปในขุมนรกนี้และในขณะเดียวกันก็เร่งความเร็วขึ้น ขอบฟ้าเหตุการณ์ (ขอบเขตของขอบเขตกาล-อวกาศ ซึ่งข้อมูลไม่สามารถไปถึงผู้สังเกตได้เนื่องจากความจำกัดของความเร็วแสง; ประมาณ. สารผสม) เร่งอนุภาคให้มีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง

เมื่อสสารเคลื่อนผ่านจุดศูนย์กลางของขอบฟ้าเหตุการณ์ ก็มีเสียงกึกก้องเกิดขึ้น เสียงนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานของการเคลื่อนไหวเป็นคลื่นเสียง

ในปี พ.ศ. 2546 นักดาราศาสตร์ที่ใช้หอดูดาวเอ็กซ์เรย์อวกาศจันทราได้บันทึกคลื่นเสียงที่เล็ดลอดออกมาจากหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ห่างออกไป 250 ล้านปีแสง

6. ไม่มีอะไรหนีจากแรงดึงดูดได้

เมื่อบางสิ่ง (อาจเป็นดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ ดาราจักร หรืออนุภาคของแสง) เข้าใกล้หลุมดำมากพอ วัตถุนี้ก็จะถูกจับโดยสนามโน้มถ่วงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ หากสิ่งอื่นที่ส่งผลต่อวัตถุ เช่น จรวด แรงกว่าแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ก็สามารถหลีกเลี่ยงการดูดซับได้

จนกว่าจะถึงขอบฟ้าเหตุการณ์แน่นอน จุดที่ไม่อาจออกจากหลุมดำได้อีกต่อไป เพื่อที่จะออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ จำเป็นต้องพัฒนาความเร็วที่มากกว่าความเร็วของแสง ซึ่งเป็นไปไม่ได้

นี่คือด้านมืดของหลุมดำ - หากแสงไม่สามารถทิ้งไว้ได้ เราก็ไม่สามารถมองเข้าไปข้างในได้

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าแม้หลุมดำขนาดเล็กจะฉีกคุณเป็นชิ้น ๆ นานก่อนที่คุณจะลื่นผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ ยิ่งคุณเข้าใกล้ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ หรือหลุมดำ แรงโน้มถ่วงยิ่งมากขึ้น หากคุณบินไปข้างหน้าสู่หลุมดำด้วยเท้าของคุณ แรงโน้มถ่วงที่เท้าของคุณจะยิ่งใหญ่กว่าในหัวของคุณมาก สิ่งนี้จะฉีกคุณออกจากกัน

7. ทำให้เวลาช้าลง

แสงจะโคจรรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ แต่ท้ายที่สุดแล้ว แสงจะตกสู่ความว่างเปล่าเมื่อเข้าไปข้างใน

คุณสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นกับนาฬิกาได้หากเข้าไปในหลุมดำและมีชีวิตอยู่ที่นั่น เมื่อพวกเขาเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ พวกเขาจะช้าลงและหยุดโดยสมบูรณ์ในที่สุด

การหยุดเวลานี้เกิดขึ้นเนื่องจากการขยายเวลาโน้มถ่วง ซึ่งอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ แรงโน้มถ่วงในหลุมดำมีมากจนทำให้เวลาช้าลงได้ จากมุมมองของนาฬิกา ทุกอย่างเป็นไปด้วยดี นาฬิกาจะหายไปจากมุมมอง ในขณะที่แสงจากนาฬิกาจะยังคงยืดออก แสงจะกลายเป็นสีแดงมากขึ้นเรื่อย ๆ ความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้นและในที่สุดก็จะไปไกลกว่าสเปกตรัมที่มองเห็นได้

8. พวกเขาเป็นผู้ผลิตพลังงานที่สมบูรณ์แบบ

หลุมดำดูดมวลสารโดยรอบทั้งหมด ภายในหลุมดำ ทั้งหมดนี้ถูกบีบอัดมากจนช่องว่างระหว่างองค์ประกอบแต่ละส่วนของอะตอมถูกบีบอัด และด้วยเหตุนี้ อนุภาคย่อยของอะตอมจึงก่อตัวขึ้นซึ่งสามารถบินออกไป อนุภาคเหล่านี้ถูกขับออกจากหลุมดำด้วยเส้นสนามแม่เหล็กที่ตัดผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์

การปล่อยอนุภาคจะสร้างพลังงานในลักษณะที่ค่อนข้างมีประสิทธิภาพ การแปลงมวลเป็นพลังงานด้วยวิธีนี้จะมีประสิทธิภาพมากกว่านิวเคลียร์ฟิวชันถึง 50 เท่า

9. จำกัดจำนวนดาว

Carl Sagan นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงเคยกล่าวไว้ว่า: มีดวงดาวในจักรวาลมากกว่าเม็ดทรายบนชายหาดทั้งโลก แต่ดูเหมือนว่าในจักรวาลจะมีดาวเพียง 10 22 ดวง

จำนวนนี้ถูกกำหนดโดยจำนวนของหลุมดำ กระแสอนุภาคที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำจะขยายตัวเป็นฟองอากาศที่เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่ก่อตัวดาวฤกษ์ บริเวณที่ก่อตัวดาวฤกษ์คือบริเวณของเมฆก๊าซที่สามารถเย็นตัวลงและก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ได้ กระแสอนุภาคจะให้ความร้อนแก่เมฆก๊าซเหล่านี้และป้องกันไม่ให้ดาวก่อตัวขึ้น

ซึ่งหมายความว่ามีความสัมพันธ์ที่สมดุลระหว่างจำนวนดาวกับกิจกรรมของหลุมดำ ดาวฤกษ์จำนวนมากที่อยู่ในกาแลคซีจะทำให้มันร้อนและระเบิดเกินกว่าจะพัฒนาชีวิตได้ แต่ดาวน้อยเกินไปก็ไม่มีส่วนทำให้เกิดชีวิตเช่นกัน

10. เราทำจากวัสดุชนิดเดียวกัน

นักวิจัยบางคนเชื่อว่าหลุมดำจะช่วยเราสร้างองค์ประกอบใหม่ เพราะมันแยกสสารออกเป็นอนุภาคย่อย

อนุภาคเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของดาวฤกษ์ ซึ่งจะนำไปสู่การสร้างองค์ประกอบที่หนักกว่าฮีเลียม เช่น เหล็กและคาร์บอน ซึ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของดาวเคราะห์และสิ่งมีชีวิตที่เป็นของแข็ง องค์ประกอบเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของทุกสิ่งที่มีมวล ดังนั้นคุณและฉัน

การค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดของปี 2014

10 คำถามยอดฮิตเกี่ยวกับจักรวาลที่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาคำตอบอยู่ตอนนี้

คนอเมริกันอยู่บนดวงจันทร์หรือไม่?

ดูกระแสน้ำวนอันน่าตื่นตาที่ล้อมรอบโลกของเรา

ได้ยินเสียงของอวกาศ

เนื่องจากความสนใจที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในการสร้างภาพยนตร์วิทยาศาสตร์ที่ได้รับความนิยมในหัวข้อการสำรวจอวกาศ ผู้ชมสมัยใหม่จึงเคยได้ยินเกี่ยวกับปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น ภาวะเอกฐานหรือหลุมดำมามากมาย อย่างไรก็ตาม ภาพยนตร์ไม่ได้เปิดเผยลักษณะทั้งหมดของปรากฏการณ์เหล่านี้ และบางครั้งก็บิดเบือนทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ที่สร้างขึ้นเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ความคิดของคนสมัยใหม่หลายคนเกี่ยวกับปรากฏการณ์เหล่านี้จึงเป็นเพียงผิวเผินหรือผิดพลาดโดยสิ้นเชิง หนึ่งในการแก้ปัญหาคือบทความนี้ ซึ่งเราจะพยายามทำความเข้าใจผลการวิจัยที่มีอยู่และตอบคำถาม - หลุมดำคืออะไร?

ในปี ค.ศ. 1784 นักบวชชาวอังกฤษและนักธรรมชาติวิทยา จอห์น มิเชลล์ กล่าวในจดหมายถึงราชสมาคมว่ามีรูปร่างใหญ่โตตามสมมุติฐานซึ่งมีแรงดึงดูดอย่างแรงกล้าจนความเร็วของจักรวาลที่สองจะเกินความเร็วแสง ความเร็วจักรวาลที่สองคือความเร็วที่วัตถุขนาดค่อนข้างเล็กจะต้องเอาชนะแรงดึงดูดของวัตถุท้องฟ้าและไปไกลกว่าวงโคจรปิดรอบวัตถุนี้ ตามการคำนวณของเขา วัตถุที่มีความหนาแน่นของดวงอาทิตย์และรัศมี 500 ดวงอาทิตย์จะมีความเร็วจักรวาลที่สองเท่ากับความเร็วแสงบนพื้นผิวของมัน ในกรณีนี้ แม้แต่แสงก็จะไม่ออกจากพื้นผิวของวัตถุดังกล่าว ดังนั้น วัตถุนี้จะดูดซับแสงที่เข้ามาเท่านั้นและยังคงมองไม่เห็นต่อผู้สังเกต ซึ่งเป็นจุดสีดำบนพื้นหลังของพื้นที่มืด

อย่างไรก็ตาม แนวคิดของ Michell เกี่ยวกับวัตถุมวลมหาศาลนั้นไม่ได้รับความสนใจมากนัก จนกระทั่งผลงานของ Einstein ขอให้เราระลึกว่าอย่างหลังกำหนดความเร็วของแสงเป็นความเร็วที่จำกัดของการส่งข้อมูล นอกจากนี้ ไอน์สไตน์ยังได้ขยายทฤษฎีความโน้มถ่วงด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง () ด้วยเหตุนี้ การใช้ทฤษฎีนิวตันกับหลุมดำจึงไม่มีความเกี่ยวข้องอีกต่อไป

สมการของไอน์สไตน์

อันเป็นผลมาจากการใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับหลุมดำและการแก้สมการของไอน์สไตน์ พารามิเตอร์หลักของหลุมดำถูกเปิดเผย ซึ่งมีเพียงสาม: มวล ประจุไฟฟ้า และโมเมนตัมเชิงมุม ควรสังเกตการมีส่วนร่วมที่สำคัญของ Subramanian Chandrasekhar นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอินเดียผู้สร้างเอกสารพื้นฐาน: "ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของหลุมดำ"

ดังนั้น คำตอบของสมการของไอน์สไตน์จึงมีสี่ตัวเลือกสำหรับหลุมดำสี่ประเภทที่เป็นไปได้:

• BH โดยไม่ต้องหมุนและไม่มีค่าใช้จ่าย - วิธีแก้ปัญหาของ Schwarzschild หนึ่งในคำอธิบายแรกของหลุมดำ (1916) โดยใช้สมการของไอน์สไตน์ แต่ไม่ได้คำนึงถึงพารามิเตอร์ของร่างกายสองในสาม วิธีแก้ปัญหาของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Karl Schwarzschild ทำให้สามารถคำนวณสนามโน้มถ่วงภายนอกของวัตถุทรงกลมขนาดใหญ่ได้ ลักษณะเฉพาะของแนวคิด BH โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันคือการมีอยู่ของขอบฟ้าเหตุการณ์และสิ่งที่ซ่อนอยู่เบื้องหลัง นอกจากนี้ Schwarzschild ยังเป็นคนแรกที่คำนวณรัศมีความโน้มถ่วงซึ่งได้รับชื่อของเขาซึ่งกำหนดรัศมีของทรงกลมที่ขอบฟ้าเหตุการณ์สำหรับวัตถุที่มีมวลที่กำหนดจะตั้งอยู่
• BH โดยไม่ต้องหมุนด้วยการชาร์จ - โซลูชัน Reisner-Nordström วิธีแก้ปัญหาที่เสนอในปี 2459-2461 โดยคำนึงถึงประจุไฟฟ้าที่เป็นไปได้ของหลุมดำ ประจุนี้ไม่สามารถมีขนาดใหญ่เท่าที่ต้องการและถูกจำกัดเนื่องจากการขับไล่ไฟฟ้าที่เกิดขึ้น หลังควรได้รับการชดเชยด้วยแรงดึงดูด
• BH พร้อมการหมุนและไม่มีค่าใช้จ่าย - วิธีแก้ปัญหาของ Kerr (1963) หลุมดำเคอร์ที่หมุนอยู่นั้นแตกต่างจากหลุมคงที่โดยการปรากฏตัวของเออร์โกสเฟียร์ที่เรียกว่า (เกี่ยวกับสิ่งนี้และส่วนประกอบอื่น ๆ ของหลุมดำ - อ่านต่อไป)
• BH พร้อมการหมุนและการชาร์จ - Kerr - Newman solution โซลูชันนี้คำนวณในปี พ.ศ. 2508 และปัจจุบันเป็นโซลูชันที่สมบูรณ์ที่สุด เนื่องจากพิจารณาพารามิเตอร์ BH ทั้งสามรายการ อย่างไรก็ตาม ยังคงสันนิษฐานว่าโดยธรรมชาติแล้ว หลุมดำมีประจุเพียงเล็กน้อย

การก่อตัวของหลุมดำ

มีหลายทฤษฎีเกี่ยวกับการก่อตัวและปรากฎของหลุมดำ ทฤษฎีที่มีชื่อเสียงที่สุดคือการก่อตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลเพียงพออันเป็นผลมาจากการยุบตัวของแรงโน้มถ่วง การกดทับนี้สามารถยุติการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าสามเท่ามวลดวงอาทิตย์ เมื่อเสร็จสิ้นปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ภายในดาวดังกล่าว พวกมันจะเริ่มยุบตัวเป็นดาวที่มีความหนาแน่นสูงอย่างรวดเร็ว หากแรงดันแก๊สของดาวนิวตรอนไม่สามารถชดเชยแรงโน้มถ่วงได้ นั่นคือมวลของดาวจะเอาชนะสิ่งที่เรียกว่า ขอบเขตออพเพนไฮเมอร์ - โวลคอฟ จากนั้นการยุบยังคงดำเนินต่อไป โดยผลลัพธ์ที่สสารถูกบีบอัดเป็นหลุมดำ

สถานการณ์ที่สอง ที่อธิบายการกำเนิดของหลุมดำ คือการกดทับของก๊าซโปรโตกาแล็กซี นั่นคือ ก๊าซระหว่างดวงดาวซึ่งอยู่ในขั้นตอนของการเปลี่ยนแปลงเป็นดาราจักรหรือกระจุกบางประเภท หากมีแรงดันภายในไม่เพียงพอที่จะชดเชยแรงโน้มถ่วงแบบเดียวกัน หลุมดำอาจปรากฏขึ้น

อีกสองสถานการณ์ยังคงเป็นสมมุติฐาน:

• การเกิดขึ้นของ BH เป็นผล - ที่เรียกว่า หลุมดำดั้งเดิม
• เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีพลังงานสูง ตัวอย่างของปฏิกิริยาดังกล่าวคือการทดลองชนกัน

โครงสร้างและฟิสิกส์ของหลุมดำ

โครงสร้าง Schwarzschild ของหลุมดำมีเพียงสององค์ประกอบที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้: ภาวะเอกฐานและขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ เมื่อพูดสั้น ๆ เกี่ยวกับภาวะเอกฐาน สังเกตได้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะลากเส้นตรงผ่านมัน และภายในนั้นทฤษฎีทางกายภาพส่วนใหญ่ที่มีอยู่ใช้ไม่ได้ผล ดังนั้น ฟิสิกส์ของภาวะเอกฐานยังคงเป็นปริศนาสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน หลุมดำเป็นพรมแดนชนิดหนึ่งที่ผ่านเข้ามา ซึ่งวัตถุทางกายภาพสูญเสียความสามารถในการย้อนกลับเกินขีดจำกัด และจะ "ตก" ลงในภาวะเอกฐานของหลุมดำอย่างแน่นอน

โครงสร้างของหลุมดำค่อนข้างซับซ้อนมากขึ้นในกรณีของสารละลายเคอร์ กล่าวคือ เมื่อมีการหมุนของ BH วิธีแก้ปัญหาของ Kerr ถือว่าหลุมนั้นมีรูปทรงเออร์โกสเฟียร์ เออร์โกสเฟียร์เป็นบริเวณหนึ่งนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งภายในร่างกายทั้งหมดเคลื่อนที่ไปในทิศทางการหมุนของหลุมดำ บริเวณนี้ยังไม่น่าตื่นเต้นและสามารถปล่อยทิ้งไว้ได้ไม่เหมือนกับขอบฟ้าเหตุการณ์ เออร์โกสเฟียร์น่าจะเป็นแอนะล็อกชนิดหนึ่งของดิสก์เพิ่มกำลัง ซึ่งหมุนสสารไปรอบๆ วัตถุขนาดใหญ่ หากหลุมดำ Schwarzschild แบบคงที่แสดงเป็นทรงกลมสีดำ Kerry BH เนื่องจากการมีอยู่ของเออร์โกสเฟียร์มีรูปร่างของทรงรีรูปไข่ซึ่งเรามักจะเห็น BH ในภาพวาดในภาพยนตร์เก่าหรือ วีดีโอเกมส์.

• หลุมดำมีน้ำหนักเท่าไหร่? - เนื้อหาทางทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับต้นกำเนิดของหลุมดำนั้นมีให้สำหรับสถานการณ์ของการปรากฎตัวของมันอันเป็นผลมาจากการล่มสลายของดาวฤกษ์ ในกรณีนี้ มวลสูงสุดของดาวนิวตรอนและมวลต่ำสุดของหลุมดำถูกกำหนดโดยขีดจำกัดของออพเพนไฮเมอร์ - โวลคอฟ ซึ่งขีดจำกัดล่างของมวล BH คือ 2.5 - 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หลุมดำที่หนักที่สุดที่เคยค้นพบ (ในกาแลคซี NGC 4889) มีมวล 21 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม เราไม่ควรลืมเกี่ยวกับ BHs ซึ่งเกิดขึ้นโดยสมมุติฐานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่มีพลังงานสูง เช่น ปฏิกิริยาที่เกิดกับเครื่องชนกัน มวลของหลุมดำควอนตัมดังกล่าว หรืออีกนัยหนึ่งคือ "หลุมดำพลังค์" มีลำดับความสำคัญเท่ากับ 2 · 10 −5 กรัม
• ขนาดของหลุมดำ รัศมี BH ต่ำสุดสามารถคำนวณได้จากมวลต่ำสุด (2.5 - 3 มวลดวงอาทิตย์) หากรัศมีความโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ นั่นคือ พื้นที่ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จะอยู่ที่ประมาณ 2.95 กม. ดังนั้นรัศมี BH ขั้นต่ำที่ 3 มวลดวงอาทิตย์จะอยู่ที่ประมาณเก้ากิโลเมตร ขนาดที่ค่อนข้างเล็กเช่นนี้ไม่พอดีกับศีรษะเมื่อพูดถึงวัตถุขนาดใหญ่ที่ดึงดูดทุกสิ่งรอบตัว อย่างไรก็ตาม สำหรับหลุมดำควอนตัม รัศมีคือ - 10 −35 ม.
• ความหนาแน่นเฉลี่ยของหลุมดำขึ้นอยู่กับสองพารามิเตอร์: มวลและรัศมี ความหนาแน่นของหลุมดำที่มีมวลเท่ากับมวลดวงอาทิตย์สามเท่าคือประมาณ 6 · 10 26 กก. / ลบ.ม. ในขณะที่ความหนาแน่นของน้ำคือ 1,000 กก. / ลบ.ม. อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังไม่พบหลุมดำขนาดเล็กดังกล่าว BHs ที่ตรวจพบส่วนใหญ่มีมวลมากกว่า 10 5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีรูปแบบที่น่าสนใจว่ายิ่งหลุมดำมีมวลมากเท่าใดความหนาแน่นของหลุมดำก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น ในกรณีนี้ การเปลี่ยนแปลงของมวลด้วยขนาด 11 คำสั่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในความหนาแน่น 22 ลำดับของขนาด ดังนั้น หลุมดำที่มีมวล 1 · 10 9 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จึงมีความหนาแน่น 18.5 กก. / ลบ.ม. ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของทองคำหนึ่งหน่วย และ BHs ที่มีมวลมากกว่า 10 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์สามารถมีความหนาแน่นเฉลี่ยน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศ จากการคำนวณเหล่านี้ มีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่าการก่อตัวของหลุมดำไม่ได้เกิดจากการอัดตัวของสสาร แต่เป็นผลมาจากการสะสมของสสารจำนวนมากในปริมาตรหนึ่ง ในกรณีของควอนตัม BHs ความหนาแน่นของพวกมันอาจอยู่ที่ประมาณ 1094 กก. / ลบ.ม.
• อุณหภูมิของหลุมดำก็แปรผกผันกับมวลของมันเช่นกัน อุณหภูมินี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับ สเปกตรัมของรังสีนี้เกิดขึ้นพร้อมกับสเปกตรัมของวัตถุสีดำสนิท นั่นคือ วัตถุที่ดูดซับรังสีที่ตกกระทบทั้งหมด สเปกตรัมการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น จากนั้นอุณหภูมิ BH สามารถหาได้จากสเปกตรัมการแผ่รังสีของ Hawking ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กเท่าใด การแผ่รังสีนี้ก็ยิ่งมีพลังมากขึ้นเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน รังสีของฮอว์คิงยังคงเป็นสมมุติฐาน เนื่องจากนักดาราศาสตร์ยังไม่ได้สังเกตมัน จากนี้ไปว่าหากมีรังสีของ Hawking อุณหภูมิของ BHs ที่สังเกตได้จะต่ำมากจนไม่สามารถลงทะเบียนรังสีที่ระบุได้ จากการคำนวณ แม้แต่อุณหภูมิของหลุมที่มีมวลตามลำดับมวลของดวงอาทิตย์ก็ยังเล็กน้อย (1 · 10 -7 K หรือ -272 ° C) อุณหภูมิของหลุมดำควอนตัมสามารถสูงถึง 10 12 K และด้วยการระเหยอย่างรวดเร็วของพวกมัน (ประมาณ 1.5 นาที) BH ดังกล่าวสามารถปล่อยพลังงานของระเบิดปรมาณูสิบล้านลูก แต่โชคดีที่การสร้างวัตถุสมมุติดังกล่าวจะต้องใช้พลังงานมากกว่าที่ทำได้ในปัจจุบันถึง 10 14 เท่าจาก Large Hadron Collider นอกจากนี้ นักดาราศาสตร์ไม่เคยสังเกตปรากฏการณ์ดังกล่าว

หลุมดำประกอบด้วยอะไร?

อีกคำถามหนึ่งที่น่ากังวลทั้งนักวิทยาศาสตร์และผู้ที่ชื่นชอบฟิสิกส์ดาราศาสตร์ - หลุมดำประกอบด้วยอะไร? ไม่มีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้ เนื่องจากไม่สามารถมองข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ที่อยู่รอบหลุมดำได้ นอกจากนี้ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แบบจำลองเชิงทฤษฎีของหลุมดำมีองค์ประกอบเพียง 3 อย่างเท่านั้น ได้แก่ เออร์โกสเฟียร์ ขอบฟ้าเหตุการณ์ และภาวะภาวะเอกฐาน มีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่าในเออร์โกสเฟียร์มีเพียงวัตถุที่ถูกดึงดูดโดยหลุมดำเท่านั้นและตอนนี้หมุนรอบมัน - วัตถุจักรวาลและก๊าซจักรวาลชนิดต่าง ๆ ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นเพียงขอบเขตบางๆ โดยปริยาย หลังจากตกลงไปเกินกว่านั้น วัตถุแห่งจักรวาลเดียวกันจะถูกดึงดูดไปยังองค์ประกอบหลักสุดท้ายของ BH อย่างไม่สามารถแก้ไขได้ นั่นคือภาวะภาวะเอกฐาน ธรรมชาติของภาวะเอกฐานยังไม่ได้รับการศึกษาในวันนี้ และยังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงองค์ประกอบของมัน

ตามสมมติฐานบางประการ หลุมดำอาจประกอบด้วยนิวตรอน หากเราติดตามสถานการณ์ของหลุมดำอันเป็นผลมาจากการกดทับของดาวฤกษ์กับดาวนิวตรอนด้วยการหดตัวที่ตามมา บางทีส่วนหลักของหลุมดำนั้นประกอบด้วยนิวตรอน ซึ่งดาวนิวตรอนเองประกอบด้วย พูดง่ายๆ คือ เมื่อดาวฤกษ์ยุบตัว อะตอมของมันจะหดตัวในลักษณะที่อิเล็กตรอนรวมตัวกับโปรตอน จึงเกิดเป็นนิวตรอน ปฏิกิริยาที่คล้ายกันเกิดขึ้นจริงในธรรมชาติ ในขณะที่การปล่อยนิวตริโนเกิดขึ้นกับการก่อตัวของนิวตรอน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงสมมติฐานเท่านั้น

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณตกลงไปในหลุมดำ?

การตกลงไปในหลุมดำทางดาราศาสตร์ทำให้ร่างกายเหยียดยาว พิจารณานักบินอวกาศฆ่าตัวตายตามสมมุติฐานที่เดินเข้าไปในหลุมดำโดยไม่มีอะไรนอกจากชุดอวกาศ เท้าก่อน เมื่อข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว นักบินอวกาศจะไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ แม้ว่าจะไม่มีโอกาสได้ออกไปแล้วก็ตาม เมื่อถึงจุดหนึ่ง นักบินอวกาศจะไปถึงจุด (ด้านหลังขอบฟ้าเหตุการณ์เล็กน้อย) ซึ่งจะเริ่มเกิดการเสียรูปของร่างกาย เนื่องจากสนามโน้มถ่วงของหลุมดำไม่เป็นเนื้อเดียวกันและแสดงด้วยการไล่ระดับแรงที่เพิ่มขึ้นไปยังจุดศูนย์กลาง ขาของนักบินอวกาศจะต้องได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงที่มากกว่าอย่างเห็นได้ชัด ตัวอย่างเช่น ส่วนหัว จากนั้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงหรือมากกว่าแรงน้ำขึ้นน้ำลงขาจะ "ตกลง" เร็วขึ้น ดังนั้นร่างกายจึงเริ่มค่อยๆยืดออก เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ใช้คำศัพท์ที่ค่อนข้างสร้างสรรค์ นั่นคือ การทำให้เป็นสปาเก็ตตี้ การยืดร่างกายออกไปอีกมีแนวโน้มที่จะสลายตัวเป็นอะตอมซึ่งไม่ช้าก็เร็วจะถึงภาวะเอกฐาน สิ่งที่บุคคลจะรู้สึกในสถานการณ์นี้ไม่มีใครคาดเดาได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าเอฟเฟกต์การยืดตัวของร่างกายแปรผกผันกับมวลของหลุมดำ นั่นคือถ้า BH ที่มีมวลสามดวงอาทิตย์ยืดหรือแตกตัวในทันที หลุมดำมวลมหาศาลจะมีแรงไทดัลต่ำกว่า และมีข้อเสนอแนะว่าวัสดุทางกายภาพบางอย่างสามารถ "ทนต่อ" การเสียรูปดังกล่าวได้โดยไม่สูญเสียโครงสร้าง

ดังที่ทราบกันดีว่าเวลาจะไหลช้ากว่าวัตถุขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าเวลาสำหรับนักบินอวกาศที่ฆ่าตัวตายจะไหลช้ากว่ามนุษย์โลกมาก ในกรณีนี้ บางทีเขาอาจจะอายุยืนไม่เพียงแค่เพื่อนของเขาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลกด้วย ต้องใช้การคำนวณเพื่อกำหนดระยะเวลาที่นักบินอวกาศจะเดินช้าลง อย่างไรก็ตาม จากที่กล่าวมาข้างต้น สันนิษฐานได้ว่านักบินอวกาศจะตกลงไปใน BH อย่างช้าๆ และบางทีอาจจะไม่มีชีวิตอยู่เพื่อดูช่วงเวลาที่เขา ร่างกายเริ่มบิดเบี้ยว

เป็นที่น่าสังเกตว่าสำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอก วัตถุทั้งหมดที่บินขึ้นไปถึงขอบฟ้าเหตุการณ์จะยังคงอยู่ที่ขอบขอบฟ้านี้จนกว่าภาพจะหายไป สาเหตุของปรากฏการณ์นี้คือการเปลี่ยนทิศทางความโน้มถ่วง ทำให้เข้าใจง่ายขึ้นบ้าง เราสามารถพูดได้ว่าแสงที่ตกลงมาบนร่างของนักบินอวกาศที่ฆ่าตัวตาย "หยุดนิ่ง" ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จะเปลี่ยนความถี่ของมันเนื่องจากเวลาที่ช้าลง เมื่อเวลาผ่านไปช้าลง ความถี่ของแสงจะลดลงและความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้น อันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์นี้ ที่เอาต์พุต นั่นคือ สำหรับผู้สังเกตภายนอก แสงจะค่อยๆ เลื่อนไปทางความถี่ต่ำ - สีแดง การเปลี่ยนแสงไปตามสเปกตรัมจะเกิดขึ้น ในขณะที่นักบินอวกาศที่ฆ่าตัวตายเคลื่อนตัวไปไกลขึ้นเรื่อยๆ จากผู้สังเกต แม้ว่าจะแทบจะมองไม่เห็นก็ตาม และเวลาของเขาก็ค่อยๆ ผ่านไปอย่างช้าๆ ดังนั้นแสงที่สะท้อนจากร่างกายของเขาจะไปไกลกว่าสเปกตรัมที่มองเห็นได้ในไม่ช้า (ภาพจะหายไป) และในอนาคตร่างกายของนักบินอวกาศสามารถจับได้เฉพาะในพื้นที่อินฟราเรดและต่อมา - ในความถี่วิทยุและเป็นผลให้ , รังสีจะเข้าใจยากอย่างสมบูรณ์.

อย่างไรก็ตาม ข้างต้น สันนิษฐานว่าในหลุมดำมวลมหาศาลมหาศาล แรงน้ำขึ้นน้ำลงไม่ได้เปลี่ยนแปลงมากนักตามระยะทาง และกระทำการเกือบสม่ำเสมอบนวัตถุที่ตกลงมา ในกรณีนี้ ยานอวกาศที่ตกลงมาจะคงโครงสร้างไว้ มีคำถามที่สมเหตุสมผลเกิดขึ้น - หลุมดำนำไปสู่ที่ไหน? คำถามนี้สามารถตอบได้โดยนักวิทยาศาสตร์บางคน โดยเชื่อมโยงปรากฏการณ์สองอย่าง เช่น รูหนอนและหลุมดำเข้าด้วยกัน

ย้อนกลับไปในปี 1935 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และนาธาน โรเซน ได้หยิบยกสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของสิ่งที่เรียกว่ารูหนอน เชื่อมโยงจุดสองจุดของกาลอวกาศ-เวลาด้วยเส้นทางในสถานที่ที่มีความโค้งที่สำคัญของยุคหลัง - ไอน์สไตน์-โรเซน สะพานหรือรูหนอน สำหรับความโค้งของอวกาศที่ทรงพลังเช่นนี้ วัตถุที่มีมวลขนาดมหึมาเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งมีบทบาทในการที่หลุมดำจะรับมือได้อย่างสมบูรณ์แบบ

สะพานไอน์สไตน์-โรเซนถือเป็นรูหนอนที่ผ่านไม่ได้เพราะมีขนาดเล็กและไม่เสถียร

รูหนอนที่ข้ามได้นั้นเป็นไปได้ภายในกรอบของทฤษฎีหลุมดำและขาว โดยที่หลุมขาวคือข้อมูลส่งออกที่ติดอยู่ในหลุมดำ หลุมขาวถูกอธิบายไว้ในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่วันนี้ยังคงเป็นสมมุติฐานและยังไม่มีการค้นพบ รูปแบบอื่นของรูหนอนที่เสนอโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Kip Thorne และนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของเขา Mike Morris สามารถเดินได้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับในกรณีของรูหนอนมอร์ริส-ธอร์น และในกรณีของหลุมดำและขาว ความเป็นไปได้ของการเดินทางจำเป็นต้องมีสิ่งที่เรียกว่าสสารแปลกใหม่ซึ่งมีพลังงานเชิงลบและยังคงเป็นสมมุติฐาน

หลุมดำในจักรวาล

การมีอยู่ของหลุมดำได้รับการยืนยันเมื่อไม่นานนี้ (กันยายน 2015) แต่เมื่อถึงเวลานั้น ก็มีเนื้อหาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับธรรมชาติของ BHs มากพอแล้ว เช่นเดียวกับวัตถุอื่นๆ สำหรับบทบาทของหลุมดำ ก่อนอื่นควรพิจารณาขนาดของ BH เนื่องจากธรรมชาติของปรากฏการณ์ขึ้นอยู่กับพวกเขา:

• หลุมดำมวลดาวฤกษ์... วัตถุดังกล่าวเกิดขึ้นจากการล่มสลายของดาวฤกษ์ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ มวลขั้นต่ำของวัตถุที่สามารถสร้างหลุมดำดังกล่าวได้คือ 2.5 - 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
• หลุมดำมวลปานกลาง... หลุมดำระดับกลางแบบมีเงื่อนไขที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการดูดกลืนของวัตถุใกล้เคียง เช่น การสะสมของก๊าซ ดาวข้างเคียง (ในระบบสองดาว) และวัตถุในจักรวาลอื่นๆ
• หลุมดำมวลมหาศาล... วัตถุขนาดกะทัดรัดที่มีมวล 10 5 -10 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ คุณสมบัติที่โดดเด่นของ BHs ดังกล่าวคือความหนาแน่นต่ำที่ขัดแย้งกัน เช่นเดียวกับแรงไทดัลที่อ่อนแอซึ่งถูกกล่าวถึงก่อนหน้านี้ เป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักรทางช้างเผือกของเรา (ราศีธนู A *, Sgr A *) เช่นเดียวกับดาราจักรอื่นๆ ส่วนใหญ่

ผู้สมัครรับเลือกตั้งสภาดำ

หลุมดำที่ใกล้ที่สุด หรือมากกว่านั้นสำหรับบทบาทของ BH คือวัตถุ (V616 Unicorn) ซึ่งอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 3,000 ปีแสง (ในดาราจักรของเรา) ประกอบด้วยสององค์ประกอบ: ดาวฤกษ์ที่มีมวลครึ่งหนึ่งของมวลดวงอาทิตย์และวัตถุขนาดเล็กที่มองไม่เห็นซึ่งมีมวล 3 - 5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หากวัตถุนี้กลายเป็นหลุมดำขนาดเล็กมวลดาว ทางขวาจะเป็น BH ที่ใกล้ที่สุด

ถัดจากวัตถุนี้ หลุมดำที่ใกล้ที่สุดอันดับสองคือวัตถุ Cyg X-1 ซึ่งเป็นตัวเลือกแรกสำหรับบทบาทของ BH ระยะทางไปประมาณ 6070 ปีแสง มีการศึกษาอย่างดี: มีมวล 14.8 มวลดวงอาทิตย์และรัศมีขอบฟ้าเหตุการณ์ประมาณ 26 กม.

แหล่งอ้างอิงบางแหล่ง ผู้สมัครที่ใกล้เคียงที่สุดอีกคนสำหรับบทบาทของ BH อาจเป็นวัตถุในระบบดาว V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) ซึ่งตามการประมาณการในปี 2542 นั้นอยู่ที่ระยะทาง 1600 ปีแสง อย่างไรก็ตาม การศึกษาในภายหลังได้เพิ่มระยะห่างนี้อย่างน้อย 15 เท่า

มีหลุมดำกี่แห่งในกาแลคซีของเรา?

ไม่มีคำตอบที่แน่นอนสำหรับคำถามนี้ เนื่องจากค่อนข้างยากที่จะสังเกตพวกมัน และตลอดเวลาของการศึกษาท้องฟ้า นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบหลุมดำประมาณโหลภายในทางช้างเผือก เราสังเกตว่าในดาราจักรของเรามีดาวฤกษ์ประมาณ 100 - 400 พันล้านดวง และดาวฤกษ์ทุก ๆ พันดวงประมาณทุก ๆ ดวงมีมวลมากพอที่จะก่อตัวเป็นหลุมดำ มีความเป็นไปได้ที่หลุมดำหลายล้านจะก่อตัวขึ้นในระหว่างการดำรงอยู่ของทางช้างเผือก เนื่องจากง่ายต่อการลงทะเบียนหลุมดำขนาดใหญ่ จึงมีเหตุผลที่จะถือว่า BH ส่วนใหญ่ในกาแลคซีของเราไม่น่าจะมีมวลมหาศาล เป็นที่น่าสังเกตว่าการศึกษาของนาซ่าในปี 2548 ชี้ให้เห็นว่ามีหลุมดำจำนวนมาก (10-20,000) โคจรรอบใจกลางกาแลคซี นอกจากนี้ ในปี 2559 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นได้ค้นพบดาวเทียมขนาดใหญ่ใกล้กับวัตถุ * ซึ่งเป็นหลุมดำซึ่งเป็นแกนกลางของทางช้างเผือก เนื่องจากวัตถุนี้มีรัศมีขนาดเล็ก (0.15 ปีแสง) รวมทั้งมวลมหาศาล (มวลดวงอาทิตย์ 100,000 เท่า) นักวิทยาศาสตร์จึงแนะนำว่าวัตถุนี้ยังเป็นหลุมดำมวลมหาศาลอีกด้วย

นิวเคลียสของดาราจักรของเรา หลุมดำของทางช้างเผือก (ราศีธนู A *, Sgr A * หรือราศีธนู A *) มีมวลมหาศาลและมีมวล 4.31 10 6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และมีรัศมี 0.00071 ปีแสง (6.25 ปีแสง . หรือ 6.75 พันล้านกม.) อุณหภูมิของราศีธนู A * พร้อมกับกระจุกรอบ ๆ อยู่ที่ประมาณ 1 · 10 7 K.

หลุมดำที่ใหญ่ที่สุด

หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบคือหลุมดำมวลมหาศาล FSRQ blazar ในใจกลางกาแลคซี S5 0014 + 81 ที่ระยะห่าง 1.2 · 10 10 ปีแสงจากโลก จากผลการสังเกตเบื้องต้นโดยใช้หอดูดาวสวิฟท์สเปซ มวลของ BH คือ 40 พันล้าน (40 · 10 9) มวลสุริยะ และรัศมีชวาร์ซชิลด์ของหลุมดังกล่าวคือ 118.35 พันล้านกิโลเมตร (0.013 ปีแสง) คาดว่าน่าจะเกิดขึ้นเมื่อ 12.1 พันล้านปีก่อน (1.6 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง) หากหลุมดำขนาดยักษ์นี้ไม่ดูดซับสสารโดยรอบ มันก็จะอยู่รอดได้จนถึงยุคของหลุมดำ ซึ่งเป็นหนึ่งในยุคของการพัฒนาจักรวาล ในระหว่างที่หลุมดำจะครอบงำอยู่ในนั้น หากนิวเคลียสของกาแล็กซี S5 0014 + 81 ยังคงเติบโต มันก็จะกลายเป็นหลุมดำสุดท้ายที่จะมีอยู่ในจักรวาล

หลุมดำอีก 2 แห่งที่รู้จักกันแม้ว่าจะไม่มีชื่อของตัวเอง แต่ก็มีความสำคัญมากที่สุดสำหรับการศึกษาหลุมดำ เนื่องจากพวกมันยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำจากการทดลอง และยังให้ผลลัพธ์ที่สำคัญสำหรับการศึกษาแรงโน้มถ่วง เรากำลังพูดถึงเหตุการณ์ GW150914 ซึ่งเรียกว่าการชนกันของหลุมดำสองหลุมให้เป็นหนึ่งเดียว เหตุการณ์นี้ทำให้สามารถลงทะเบียนได้

การตรวจจับหลุมดำ

ก่อนที่จะพิจารณาวิธีการตรวจหา BHs เราควรตอบคำถาม - ทำไมหลุมดำถึงเป็นสีดำ? - คำตอบไม่ต้องการความรู้เชิงลึกในด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์และจักรวาลวิทยา ความจริงก็คือหลุมดำดูดซับการแผ่รังสีทั้งหมดที่เกิดขึ้นและไม่ปล่อยเลยถ้าคุณไม่คำนึงถึงสมมติฐาน หากเราพิจารณาปรากฏการณ์นี้อย่างละเอียดมากขึ้น ก็สามารถสันนิษฐานได้ว่ากระบวนการที่นำไปสู่การปลดปล่อยพลังงานในรูปของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่เกิดขึ้นภายในหลุมดำ จากนั้น ถ้า BH แผ่รังสี แสดงว่าอยู่ในสเปกตรัมของฮอว์คิง (ซึ่งตรงกับสเปกตรัมของวัตถุที่ร้อนและเป็นสีดำสนิท) อย่างไรก็ตาม ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ การแผ่รังสีนี้ไม่ถูกตรวจพบ ซึ่งบ่งชี้ว่าหลุมดำมีอุณหภูมิต่ำมาก

ทฤษฎีที่ยอมรับกันทั่วไปอีกทฤษฎีหนึ่งกล่าวว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่สามารถออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ เป็นไปได้มากที่โฟตอน (อนุภาคแสง) จะไม่ดึงดูดวัตถุขนาดใหญ่เนื่องจากตามทฤษฎีแล้วพวกมันไม่มีมวล อย่างไรก็ตาม หลุมดำยังคง "ดึงดูด" โฟตอนของแสงด้วยการบิดเบือนกาลอวกาศ หากเราจินตนาการถึง BH ในอวกาศว่าเป็นความหดหู่ใจบนพื้นผิวเรียบของกาลอวกาศ แสดงว่ามีระยะห่างจากศูนย์กลางของหลุมดำอยู่ระยะหนึ่ง ซึ่งเข้าใกล้แสงที่จะไม่สามารถเคลื่อนออกไปได้อีกต่อไป กล่าวคือแสงเริ่ม "ตก" ไปที่ "หลุม" ซึ่งไม่มีแม้แต่ "ก้น"

นอกจากนี้ หากเราคำนึงถึงผลกระทบของการเลื่อนสีแดงด้วยแรงโน้มถ่วง บางทีในหลุมดำที่แสงอาจสูญเสียความถี่ไป โดยเคลื่อนไปตามสเปกตรัมไปยังบริเวณที่มีการแผ่รังสีความยาวคลื่นยาวความถี่ต่ำ จนกระทั่งสูญเสียพลังงานเลย

ดังนั้น หลุมดำจึงเป็นสีดำ จึงยากต่อการตรวจจับในอวกาศ

วิธีการตรวจจับ

พิจารณาวิธีการที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการตรวจจับหลุมดำ:

นอกจากวิธีการที่กล่าวข้างต้นแล้ว นักวิทยาศาสตร์มักจะเชื่อมโยงวัตถุต่างๆ เช่น หลุมดำและ ควาซาร์เป็นกลุ่มของวัตถุและก๊าซในจักรวาล ซึ่งเป็นหนึ่งในวัตถุทางดาราศาสตร์ที่สว่างที่สุดในจักรวาล เนื่องจากพวกมันมีความเข้มการเรืองแสงสูงในขนาดที่ค่อนข้างเล็ก จึงมีเหตุผลที่จะเชื่อว่าจุดศูนย์กลางของวัตถุเหล่านี้เป็นหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งดึงดูดสสารโดยรอบ เนื่องจากแรงดึงดูดอันทรงพลังดังกล่าว สสารที่ถูกดึงดูดจึงร้อนมากจนแผ่รังสีออกมาอย่างเข้มข้น การตรวจจับวัตถุดังกล่าวมักจะถูกนำมาเปรียบเทียบกับการตรวจจับหลุมดำ บางครั้งควาซาร์สามารถแผ่รังสีพลาสม่าร้อนออกเป็นสองทิศทาง - ไอพ่นสัมพัทธภาพ สาเหตุของการปรากฏตัวของเจ็ต (เจ็ต) ดังกล่าวไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม อาจเกิดจากการทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กของ BH และจานเพิ่มมวล และไม่ได้ถูกปล่อยออกมาจากหลุมดำโดยตรง

เครื่องบินเจ็ตในกาแลคซี M87 โดดเด่นจากใจกลาง BH

เมื่อสรุปจากข้างต้นแล้ว เราสามารถจินตนาการได้ในระยะใกล้: มันคือวัตถุสีดำทรงกลม ซึ่งสสารที่มีความร้อนสูงหมุนรอบจนเกิดเป็นจานสะสมมวลสารเรืองแสง

การรวมตัวและการชนกันของหลุมดำ

ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่งในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์คือการชนกันของหลุมดำ ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับวัตถุทางดาราศาสตร์ขนาดใหญ่เช่นนี้ได้ กระบวนการดังกล่าวเป็นที่สนใจไม่เพียงแต่สำหรับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เท่านั้น เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวส่งผลให้นักฟิสิกส์ศึกษาปรากฏการณ์ได้ไม่ดีนัก ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดคือเหตุการณ์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ที่เรียกว่า GW150914 เมื่อหลุมดำสองหลุมเข้าใกล้มากจนรวมเป็นหนึ่งเดียวอันเป็นผลมาจากแรงดึงดูดซึ่งกันและกัน ผลที่ตามมาที่สำคัญของการชนนี้คือการเกิดคลื่นความโน้มถ่วง

ตามคำจำกัดความของคลื่นโน้มถ่วง สิ่งเหล่านี้คือการเปลี่ยนแปลงในสนามโน้มถ่วงที่แพร่กระจายในลักษณะคล้ายคลื่นจากวัตถุเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ เมื่อวัตถุสองชิ้นดังกล่าวเข้าใกล้กัน วัตถุเหล่านั้นจะเริ่มหมุนรอบจุดศูนย์ถ่วงร่วม การหมุนรอบแกนของพวกมันจะเพิ่มขึ้น ความผันผวนของสนามโน้มถ่วงที่ผันแปรเช่นนี้ในบางจุดสามารถก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงอันทรงพลังหนึ่งคลื่น ซึ่งสามารถแพร่กระจายในอวกาศเป็นเวลาหลายล้านปีแสง ดังนั้น ที่ระยะทาง 1.3 พันล้านปีแสง หลุมดำสองหลุมชนกัน ก่อตัวเป็นคลื่นความโน้มถ่วงอันทรงพลัง ซึ่งมาถึงโลกเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2015 และบันทึกโดยเครื่องตรวจจับ LIGO และ VIRGO

หลุมดำตายได้อย่างไร?

เห็นได้ชัดว่าหลุมดำจะหยุดอยู่ จะต้องสูญเสียมวลของมันทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ตามคำจำกัดความของมัน ไม่มีอะไรสามารถออกจากขอบเขตของหลุมดำได้หากมันข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว เป็นที่ทราบกันดีว่านักฟิสิกส์ทฤษฎีโซเวียต Vladimir Gribov เป็นคนแรกที่พูดถึงความเป็นไปได้ของการปล่อยอนุภาคโดยหลุมดำในการสนทนากับ Yakov Zeldovich นักวิทยาศาสตร์โซเวียตอีกคน เขาแย้งว่าจากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม หลุมดำสามารถเปล่งอนุภาคผ่านเอฟเฟกต์อุโมงค์ ต่อมา ด้วยความช่วยเหลือของกลศาสตร์ควอนตัม นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอังกฤษ สตีเฟน ฮอว์คิง ได้สร้างทฤษฎีที่แตกต่างกันบ้างของตัวเองขึ้นมา คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ ในระยะสั้นในสุญญากาศมีสิ่งที่เรียกว่าอนุภาคเสมือนซึ่งเกิดขึ้นเป็นคู่และทำลายล้างซึ่งกันและกันอย่างต่อเนื่องในขณะที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์กับโลกรอบข้าง แต่ถ้าคู่ดังกล่าวปรากฏบนขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ ความโน้มถ่วงอย่างแรงก็สามารถแยกพวกมันออกจากกันโดยสมมุติฐาน โดยมีอนุภาคตัวหนึ่งตกอยู่ภายใน BH และอีกตัวหนึ่งอยู่ห่างจากหลุมดำ และเนื่องจากอนุภาคหลุดออกจากรูสามารถสังเกตได้ ดังนั้นจึงมีพลังงานบวก อนุภาคที่ตกลงไปในรูจึงต้องมีพลังงานเชิงลบ ดังนั้นหลุมดำจะสูญเสียพลังงานและจะมีผลที่เรียกว่าการระเหยของหลุมดำ

ตามแบบจำลองที่มีอยู่ของหลุมดำ ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เมื่อมวลของมันลดลง การแผ่รังสีของมันก็จะรุนแรงขึ้นเรื่อยๆ จากนั้น ในขั้นตอนสุดท้ายของการดำรงอยู่ของ BH เมื่อมันอาจลดลงถึงขนาดของหลุมดำควอนตัม มันจะปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมาในรูปของรังสี ซึ่งอาจเทียบเท่ากับจำนวนนับพันหรือหลายล้าน ระเบิดปรมาณู เหตุการณ์นี้ค่อนข้างชวนให้นึกถึงการระเบิดของหลุมดำ เหมือนกับระเบิดเดียวกัน จากการคำนวณ หลุมดำดึกดำบรรพ์อาจเกิดขึ้นจากบิ๊กแบง และหลุมดำเหล่านี้ซึ่งมีมวลประมาณ 10 12 กก. น่าจะระเหยและระเบิดในช่วงเวลาของเรา อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ไม่เคยสังเกตเห็นการระเบิดดังกล่าว

แม้จะมีกลไกที่ Hawking เสนอในการทำลายหลุมดำ แต่คุณสมบัติของรังสีของ Hawking ทำให้เกิดความขัดแย้งในกรอบของกลศาสตร์ควอนตัม หากหลุมดำดูดกลืนร่างกายแล้วสูญเสียมวลอันเป็นผลมาจากการดูดซึมของร่างกายนี้ ไม่ว่าธรรมชาติของร่างกายจะเป็นอย่างไร หลุมดำก็จะไม่แตกต่างจากที่เคยเป็นมาก่อนการดูดซึมของร่างกาย ในกรณีนี้ ข้อมูลเกี่ยวกับร่างกายจะสูญหายไปตลอดกาล จากมุมมองของการคำนวณทางทฤษฎี การแปลงสถานะบริสุทธิ์เริ่มต้นไปเป็นสถานะผสม ("ความร้อน") ที่ได้รับไม่สอดคล้องกับทฤษฎีปัจจุบันของกลศาสตร์ควอนตัม ความขัดแย้งนี้บางครั้งเรียกว่าการหายตัวไปของข้อมูลในหลุมดำ ไม่เคยพบวิธีแก้ปัญหาที่ชัดเจนสำหรับความขัดแย้งนี้ ตัวเลือกที่เป็นที่รู้จักสำหรับการแก้ความขัดแย้ง:

• ความไม่สอดคล้องของทฤษฎีของฮอว์คิง สิ่งนี้ทำให้เกิดความเป็นไปไม่ได้ในการทำลายหลุมดำและการเติบโตอย่างต่อเนื่อง
• การปรากฏตัวของหลุมสีขาว ในกรณีนี้ ข้อมูลที่ถูกดูดซับจะไม่หายไป แต่ถูกโยนออกไปในจักรวาลอื่น
• ความไม่สอดคล้องกันของทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมที่ยอมรับกันโดยทั่วไป

ปัญหาที่ยังไม่แก้ของฟิสิกส์หลุมดำ

เห็นได้ชัดว่าสิ่งที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้แม้ว่าหลุมดำจะได้รับการศึกษามาเป็นเวลานาน แต่ก็ยังมีคุณลักษณะหลายอย่างซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบกลไก

• ในปี 1970 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้คิดค้นสิ่งที่เรียกว่า "หลักการเซ็นเซอร์จักรวาล" - "ธรรมชาติเกลียดชังความเป็นเอกเทศที่เปลือยเปล่า" ซึ่งหมายความว่าภาวะเอกฐานเกิดขึ้นเฉพาะในสถานที่ที่มองไม่เห็นเท่านั้น เช่น ศูนย์กลางของหลุมดำ อย่างไรก็ตาม หลักการนี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ นอกจากนี้ยังมีการคำนวณตามทฤษฎีซึ่งภาวะภาวะเอกฐาน "เปล่า" สามารถเกิดขึ้นได้
• และยังไม่มีการพิสูจน์ "ทฤษฎีบทผม" ตามที่หลุมดำมีเพียงสามพารามิเตอร์เท่านั้น
• ทฤษฎีที่สมบูรณ์ของสนามแม่เหล็กของหลุมดำยังไม่ได้รับการพัฒนา
• ยังไม่ได้ศึกษาธรรมชาติและฟิสิกส์ของภาวะเอกฐานความโน้มถ่วง
• ไม่มีใครทราบแน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นในขั้นตอนสุดท้ายของการมีอยู่ของหลุมดำ และสิ่งที่เหลืออยู่หลังจากการสลายของควอนตัม

เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับหลุมดำ

สรุปข้างต้น มีลักษณะที่น่าสนใจและผิดปกติหลายประการของธรรมชาติของหลุมดำ:

• BHs มีเพียงสามพารามิเตอร์: มวล ประจุไฟฟ้า และโมเมนตัมเชิงมุม อันเป็นผลมาจากคุณลักษณะจำนวนเล็กน้อยของร่างกายนี้ ทฤษฎีบทที่ระบุว่าสิ่งนี้เรียกว่า "ทฤษฎีบทไม่มีขน" สิ่งนี้ยังทำให้เกิดวลี "หลุมดำไม่มีขน" ซึ่งหมายความว่าหลุมดำสองหลุมมีความเหมือนกันทุกประการ พารามิเตอร์ทั้งสามที่กล่าวถึงนั้นเหมือนกัน
• ความหนาแน่นของ BH อาจน้อยกว่าความหนาแน่นของอากาศ และอุณหภูมิใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์ จากนี้จึงสรุปได้ว่าการก่อตัวของหลุมดำไม่ได้เกิดจากการอัดตัวของสสาร แต่เป็นผลมาจากการสะสมของสสารจำนวนมากในปริมาตรหนึ่ง
• เวลาสำหรับร่างกายที่ BH ดูดซึมนั้นช้ากว่าผู้สังเกตการณ์ภายนอกมาก นอกจากนี้ วัตถุที่ถูกดูดกลืนยังถูกยืดออกอย่างมีนัยสำคัญภายในหลุมดำ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกกันว่า
• อาจมีหลุมดำประมาณหนึ่งล้านในกาแลคซีของเรา
• อาจมีหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางของกาแลคซีทุกแห่ง
• ในอนาคต ตามแบบจำลองทางทฤษฎี จักรวาลจะเข้าสู่ยุคที่เรียกว่าหลุมดำ ซึ่งหลุมดำจะกลายเป็นวัตถุหลักในจักรวาล