Jak zvážit černou díru

Jak vážíte černou díru?

Podle Phil potěší editoval Lee Billings

V nedávném díle pro můj sloupec vesmír, Napsal jsem o největších černých dírách ve vesmíru. Ty mohou naklonit stupnice v mnoha miliardách sluneční mše a převažují i ​​celé galaxie.

Ale jak to víme? Černé díry jsou poněkud známé tím, že jsou, dobře, černý Protože se mohou pohltit dolů, dokonce se samotným světlem. Jak tedy můžeme přijít na to, jak jsou masivní?

Existuje několik způsobů, ve skutečnosti, většinou v závislosti na druhu černé díry, kterou zkoumáme.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Nejběžnějším druhem černé díry, o které známe, je černá díra hvězdné hmoty; Jeden s několika až několik desítekkrát hmotnosti slunce. Tento typ se obvykle tvoří, když masivní hvězda exploduje na koncích jeho krátkého života a jádro se zhroutí. Infallingový materiál se stává tak hustým, že gravitační šňůry, které se stávají tak silné, že nic, ani fotony, nemůže uniknout jeho uchopení po příliš blízko. Z tohoto objektu se nedostane žádné světlo, takže je to černý, A cokoli, co spadá, se nemůže dostat ven, jako nekonečně hluboká otvor.

Ukázalo se, že pojmenování takového objektu není velmi obtížné.

Protože jsou kované z hvězdných jádra, musí mít černé díry hmotnost, která je blízká hmotnosti hvězdy. Teoretické výpočty to vydávají, což přináší minimální hmotnost přibližně trojnásobek hmotnosti slunce. Neexistuje jasný horní hranici, ale astronomové považují jakékoli černé díry méně než 100 solárních hmot, aby byly v kategorii černé díry hvězdné hmoty.

Samozřejmě, že měření této hmoty je obtížné pro objekt, který nevidíte. Ale někdy nám příroda dává ruku.

Masivní hvězdy se běžně vyskytují v binárních systémech, kde obíhají s jinou hvězdou. Když masivní hvězda exploduje a zanechává za sebou černou díru, tento zbytek může zůstat gravitačně vázán na svého hvězdného společníka, který může zradit jeho přítomnost. Mohli bychom například hledat hvězdy, které se zdají být obíhajícím masivním, ale neviditelným objektem. Tato metoda je obtížná ale ve skutečnosti byl úspěšný v Nalezení několika černých děr.

Představte si, že si prohlížíme jeden z těchto systémů v podstatě „Edge on“ s ohledem na jejich koorbitální pohyb. Když se oba obíhají, viditelná hvězda tráví polovinu tohoto orbitálního období pohybující se směrem k Zemi a druhou polovinu odsunul. To vyvolává Dopplerova posun ve svém světleZkrácení vlnových délek, když se pohybuje k nám-tzv. Blueshift-a prodlužuje je jako „červený posun“, když se pohybuje pryč.

To je klíč k nalezení hmoty černé díry! Používání zákonů pohybu odvozených německým astronomem Johannes Keplerem na začátku 17. století, Celková hmotnost systému lze vypočítat pouhým poznáním orbitálního období a hvězdné rychlosti. Můžeme odhadnout hmotnost viditelné hvězdy pomocí našeho porozumění hvězdné fyzice a odečíst to od celkového vážení černé díry.

Tato metoda funguje, i když je systém od nás příliš vzdálený na to, aby se hvězda fyzicky pohybovala. Binární soubory, jako je tento, lze také nalézt jinými způsoby: například, pokud černá díra krade hmotu od svého hvězdného společníka, tento materiál se zahřívá natolik, že spadne do čela černé díry, že emituje rentgenové paprsky s vysokou energií. Pokud vidíme hojné rentgenové paprsky pocházející z toho, co se zdá být normální hvězdou, můžeme být podezřelý, že tam funguje černá díra. Úplně první potvrzená černá díra, Cygnus X-1, byla nalezena přesně tímto způsobem a Dopplerova metoda odhalila jeho hmotu Asi 21krát to slunce.

Variace této metody lze použít také na supermassive černých dírách. Tyto předměty jsou absolutní zvířata, miliony nebo miliardykrát časy slunce a nacházejí se v jádrech všech velkých galaxií. Jsou příliš hovězí na to, aby obíhali s jednou hvězdou, ale ve skutečnosti může mnoho hvězd na oběžné dráze jim. Čím blíže jsou tyto hvězdy k tomu monstrum uprostřed, tím rychlejší je krouží. Každá z těchto hvězd bude ve svém světle vykazovat velký dopplerovský posun, přičemž zhruba polovinu se pohybuje směrem k nám a napůl se pohybuje pryč. Měříme je masse, uvidíme tuto charakteristickou dualitu mezi Blueshift a Redshift v jejich kombinovaném světle. Rychlosti těchto hvězd opět závisí na hmotnosti objektu, který obíhají, takže je můžeme použít k vážení černé díry.

Astronomové to udělali s mnoha galaxiemi, díky nástrojům, jako je zobrazovací spektrograf kosmického dalekohledu (STIS), kameru, na které jsem pracoval, na palubě Hubbleova vesmírného dalekohledu. STIS byl navržen částečně tak, aby učinil právě tento druh pozorování. Nedlouho poté, co jej nainstalovali astronauti na Hubble, Stis se podíval na nedalekou Galaxy M84 a snadno detekoval obrovský Dopplerovy posun kolem galaktického jádraKřídí to až do centrální černé díry s nejméně 300 miliony solárních hmot – skutečně je monstrum.

Současné modely tvorby galaxií ukazují, že hmotnost galaxie je spojena s hmotností její centrální černé díry, přičemž větší galaxie mají tendenci mít větší centrální černou díru. Nejedná se o tvrdé a rychlé pravidlo-například naše vlastní rozlehlé Mléčné dráhy má relativně poddimenzovanou černou díru-ale pokud změříte dostatek galaxií, bude vzorec jasný. I když vám tento trend nedostane nesmírně přesné měření, lze jej použít k měření centrální hmoty černé díry galaxie. Více než tucet nepolapitelných černých otvorů meziproduktů-tanečně se 100 až 100 000 solárními hmotami-byly nalezeny v trpasličích galaxiích.

Existuje také mnohem více nepřímých metod. Rentgenové paprsky emitované materiálem, když spadají do černé díry, lze použít k odhadu její hmotynapříklad. Někdy v přeplněném chaosu v galaktickém centru, Hvězda se může bloudit příliš blízko centrální supermassivní černé díry a je skartována svou silnou přílivovou silou. Tato událost přílivového narušení vytváří skutečně obrovskou explozi a množství času, který trvá rozjasnění a vyblednutí, souvisí s hmotou černé díry, které zase lze použít k odhadu tonáže monster.

Také, když se černé otvory srazí a sloučí, vydávají ohromující množství energie ve formě gravitačních vln – v látce časoprostoru. V těchto vlnkách zakódováno je hmotnost obou konvergujících černých děr, tak hmoty finální, poněkud větší černé díry. První takové gravitační vlny byly detekovány před více než deseti letya k dnešnímu dni, Zhruba dalších 300 bylo nalezeno. Současné detektory mohou cítit pouze fúze černých děr hvězdné hmoty, ale Budoucí kosmické observatoře, jako je Lisa (Laserový interferometr prostorová anténa) by také měla být schopna „slyšet“ vlny z kolize supermasivních černých děr.

Samotné černé díry nevyzařují žádné světlo, ale to neznamená, že jsou zcela neviditelné. Odhalují se nesčetnými způsoby, a pokud jsme chytří – a jsme – můžeme použít jejich míru.

Je čas postavit se za vědu

Pokud se vám tento článek líbil, rád bych požádal o vaši podporu. Vědecký Američan sloužil jako obhájce vědy a průmyslu po dobu 180 let a právě teď může být nejkritičtějším okamžikem v této historii dvou století.

Byl jsem Vědecký Američan Předplatitel od svých 12 let a pomohlo to utvářet způsob, jakým se dívám na svět. Dejte mi vědět Vždy mě vzdělává a potěší a inspiruje pocit úcty pro náš obrovský, krásný vesmír. Doufám, že to také pro vás.

Pokud Přihlaste se k odběru Vědecký AmeričanPomáháte zajistit, aby naše pokrytí bylo soustředěno na smysluplný výzkum a objev; že máme zdroje na podávání zpráv o rozhodnutích, která ohrožují laboratoře po celé USA; a že podporujeme začínající i pracující vědce v době, kdy se hodnota samotné vědy příliš často nerozpoznala.

Na oplátku získáte základní zprávy, Upmasující podcastyBrilantní infografika, zpravodaje nemohu vynechatMust-Watch videa, náročné hrya nejlepší psaní a hlášení vědeckého světa. Můžete dokonce Darujte někomu předplatné.

Nikdy nebylo důležitější čas, abychom se postavili a ukázali, proč věda záleží. Doufám, že nás v této misi podpoříte.