Svarta hål är kanske de mest mystiska föremålen i universum. Om inte naturligtvis saker är gömda någonstans i djupet, vars existens vi inte känner till och inte kan veta, vilket är osannolikt. Svarta hål är kolossala massa och densitet, komprimerade till en punkt av en liten radie. De fysiska egenskaperna hos dessa föremål är så konstiga att de pusslar de mest sofistikerade fysikerna och astrofysikerna. Sabine Hossfender, en teoretisk fysiker, sammanställde ett urval av tio fakta om svarta hål som alla borde veta.
Vad är ett svart hål?
Den definierande egenskapen hos ett svart hål är dess horisont. Detta är en gräns utöver vilken ingenting, inte ens ljus, kan återvända. Om ett fristående område lossnar för alltid, talar vi om en "händelsehorisont". Om det bara är tillfälligt åtskilt, talar vi om den "synliga horisonten." Men detta "tillfälliga" kan också betyda att regionen kommer att separeras mycket längre än universums nuvarande tidsålder. Om det svarta hålets horisont är tillfällig men långlivad är skillnaden mellan den första och den andra suddig.
Hur stora är svarta hål?
Du kan föreställa dig horisonten för ett svart hål som en sfär, och dess diameter kommer att vara direkt proportionell mot massan av det svarta hålet. Därför, ju mer massa faller in i det svarta hålet, desto större blir det svarta hålet. Jämfört med stjärnföremål är dock svarta hål små, eftersom massan komprimeras till mycket små volymer under påverkan av oemotståndligt gravitationstryck. Radien på ett svart hål med en massa av planeten Jorden är till exempel bara några millimeter. Detta är 10.000.000.000 gånger mindre än jordens nuvarande radie.
Kampanjvideo:
Radien på det svarta hålet kallas Schwarzschild-radien efter Karl Schwarzschild, som först härledde svarta hål som en lösning på Einsteins allmänna relativitetsteori.
Vad händer i horisonten?
När du korsar horisonten händer inget speciellt runt dig. Allt på grund av Einsteins likvärdighetsprincip, varifrån det följer att du inte kan hitta skillnaden mellan accelerationen i platt utrymme och gravitationsfältet som skapar rymdens krökning. En observatör bort från det svarta hålet som ser någon annan falla in i det kommer dock att märka att personen kommer att röra sig långsammare och närmar sig horisonten. Det är som om tiden rör sig långsammare nära händelsehorisonten än den gör bort från horisonten. Det kommer dock att gå en viss tid och observatören som faller i hålet kommer att korsa händelsehorisonten och befinna sig inne i Schwarzschild-radien.
Vad du upplever i horisonten beror på tidvattenkrafterna i gravitationsfältet. Tidvattenkrafterna i horisonten är omvänt proportionella mot kvadratet för det svarta hålets massa. Detta innebär att ju större och mer massivt det svarta hålet, desto mindre kraft. Och om bara det svarta hålet är tillräckligt stort kan du korsa horisonten innan du ens märker att något händer. Effekten av dessa tidvattenkrafter kommer att sträcka dig: den tekniska termen fysiker använder för detta är spagettifiering.
I de tidiga dagarna av allmän relativitet trodde man att det fanns en singularitet i horisonten, men detta visade sig inte vara fallet.
Vad finns i ett svart hål?
Ingen vet säkert, men definitivt inte bokhyllan. Allmän relativitet förutspår att i ett svart hål finns en singularitet, en plats där tidvattenkrafter blir oändligt stora, och när du väl har passerat händelsehorisonten kan du inte gå någon annanstans än in i singulariteten. Följaktligen är det bättre att inte använda allmän relativitet på dessa platser - det fungerar helt enkelt inte. För att berätta vad som händer i ett svart hål behöver vi en teori om kvantgravitation. Det är allmänt accepterat att denna teori kommer att ersätta singulariteten med något annat.
Hur bildas svarta hål?
Vi känner för närvarande till fyra olika sätt som svarta hål bildas. Bäst förstås är associerad med stjärnkollaps. En tillräckligt stor stjärna bildar ett svart hål efter att dess kärnfusion slutar, för allt som redan kunde syntetiseras har syntetiserats. När trycket som skapas av fusion upphör börjar materien att falla mot sitt eget gravitationella centrum och blir alltmer tät. Till slut blir det så tätt att ingenting kan övervinna gravitationens effekt på stjärnans yta: så här föds ett svart hål. Dessa svarta hål kallas "solmassa svarta hål" och är de vanligaste.
Nästa vanliga typ av svart hål är "supermassiva svarta hål", som finns i mitten av många galaxer och har massor ungefär en miljard gånger så stora som solhål. Det är ännu inte känt med säkerhet exakt hur de bildas. Man tror att de en gång började som svarta hål med solmassa som konsumerade många andra stjärnor i tätbefolkade galaktiska centra och växte. De verkar emellertid absorbera materia snabbare än vad denna enkla idé antyder, och hur exakt de gör det är fortfarande ett ämne för forskning.
En mer kontroversiell idé var ursvarta hål, som kunde ha bildats av nästan vilken massa som helst i stora densitetsfluktuationer i det tidiga universum. Även om det är möjligt är det svårt att hitta en modell som producerar dem utan att överskapa dem.
Slutligen finns det den mycket spekulativa tanken att små svarta hål med massor nära Higgs-bosonets skulle kunna bildas vid Large Hadron Collider. Detta fungerar bara om vårt universum har extra dimensioner. Hittills har det inte funnits någon bekräftelse till förmån för denna teori.
Hur vet vi att det finns svarta hål?
Vi har mycket observationsbevis för kompakta föremål med stora massor som inte avger ljus. Dessa föremål ger sig bort genom gravitationell attraktion, till exempel på grund av rörelse av andra stjärnor eller gasmoln runt dem. De skapar också gravitationslinser. Vi vet att dessa föremål inte har en fast yta. Detta följer av observationer, eftersom materia som faller på ett föremål med en yta bör orsaka frigöring av fler partiklar än materia som faller genom horisonten.
Varför sa Hawking förra året att svarta hål inte finns?
Han menade att svarta hål inte har en evig händelsehorisont, utan bara en tillfällig skenbar horisont (se punkt 1). I strikt mening betraktas endast händelsehorisonten som ett svart hål.
Hur avger svarta hål strålning?
Svarta hål avger strålning på grund av kvanteffekter. Det är viktigt att notera att detta är kvanteffekter av materia, inte kvanteffekter av gravitation. Den dynamiska rymdtiden för ett kollapsande svart hål förändrar själva definitionen av en partikel. Liksom tidens gång, som förvrängs nära ett svart hål, är begreppet partiklar för beroende av observatören. I synnerhet, när en observatör som faller i ett svart hål tror att han faller i ett vakuum, tror en observatör långt ifrån det svarta hålet att detta inte är ett vakuum utan ett utrymme fullt av partiklar. Det är sträckningen av rymdtid som orsakar denna effekt.
Strålningen från ett svart hål upptäcktes först av Stephen Hawking och kallas Hawking-strålning. Denna strålning har en temperatur som är omvänt proportionell mot massan av det svarta hålet: ju mindre det svarta hålet desto högre temperatur. De fantastiska och supermassiva svarta hålen som vi känner har temperaturer långt under temperaturen i mikrovågsbakgrunden och observeras därför inte.
Vad är en informationsparadox?
Informationsförlustparadoxen orsakas av Hawking-strålning. Denna strålning är rent termisk, det vill säga den har bara temperatur av en slump och av vissa egenskaper. Strålningen i sig innehåller ingen information om hur det svarta hålet bildades. Men när ett svart hål avger strålning förlorar det massa och dras samman. Allt detta är helt oberoende av ämnet som blev en del av det svarta hålet eller från vilket det bildades. Det visar sig att man bara vet det slutliga tillståndet för avdunstning, man kan inte säga från vad det svarta hålet bildades. Denna process är "irreversibel" - och fångsten är att det inte finns någon sådan process i kvantmekanik.
Det visar sig att avdunstningen av ett svart hål är oförenligt med kvantteorin vi känner till, och något måste göras åt det. Eliminera inkonsekvensen på något sätt. De flesta fysiker tror att lösningen är att Hawking-strålning på något sätt måste innehålla information.
Vad föreslår Hawking för att lösa informationsparadoxen för svarta hålen?
Tanken är att svarta hål måste ha ett sätt att lagra information som ännu inte har accepterats. Information lagras vid horisonten av ett svart hål och kan orsaka små förskjutningar av partiklar i Hawking-strålning. I dessa små förskjutningar kan det finnas information om den fångade materien. De exakta detaljerna i denna process är för närvarande oklara. Forskare väntar på en mer detaljerad teknisk uppsats från Stephen Hawking, Malcolm Perry och Andrew Strominger. De säger att det kommer att visas i slutet av september.
För tillfället är vi säkra på att svarta hål finns, vi vet var de är, hur de bildas och vad de så småningom kommer att bli. Men detaljerna om var informationen går till dem representerar fortfarande ett av de största mysterierna i universum.
Ilya Khel