Svarta hål är de mest mystiska invånarna i rymden. Trots allt, hur mycket vi än försöker kommer vi aldrig att veta vad som händer bortom händelsehorisonten. Detta skrämmande mörker som ingenting kan fly ifrån, inte ens fotoner av ljus. Under många decennier ansågs dessa rymdmonster vara hypotetiska föremål, och bevis på deras existens verkade otänkbara. Detsamma kan sägas om mörk materia, en hypotetisk form av materia som inte kan observeras och som beräknas utgöra cirka 85 % av universum. Dess existens, som svarta hål en gång i tiden, kan bedömas av den kraftfulla gravitationseffekten som detta ämne har på kosmiska föremål och håller dem samman. Är det konstigt att den mystiska naturen hos både mörk materia och svarta hål får forskare att tro att dessa invånare i universum är sammankopplade och att mörk materia kan upptäckas genom att observera rymdmonster?
Ett av huvudmysterierna i modern fysik är mörk materias natur. Men hur är det relaterat till svarta hål? Bild: d2r55xnwy6nx47.cloudfront.net
Innehåll
- 1 Struktur av svarta hål
- 1.1 Jets, rotation och gravitation
- 2 Den mörka materiens natur
- 3 Hur upptäcker man mörk materia?
- 4 hål i teorin
Svarta håls struktur
Att vara ett av de mest mystiska och exotiska objekten i universum, svarta hål bildas som ett resultat av kollapsen av massiva stjärnoroch har så kraftfull gravitation att inte ens ljus kan undkomma deras gränser. Huvudelementen i svarta håls struktur inkluderar händelsehorisonten, singularitet och accretion disk. Men först till kvarn.
Event Horizon– det här är gränsen runt ett svart hål, en gång bortom vilket allt – från materia till ljusfotoner – försvinner för alltid. Faktum är att händelsehorisonten är ett slags «point of no return» – allt som korsar det blir en del av det svarta hålet och kan inte längre interagera med omvärlden. Händelsehorisontens radie kallas Schwarzschild-radien och beror på det svarta hålets massa.
Händelsehorisonten för ett svart hål är ingen återvändopunkt. Bild: cdn.mos.cms.futurecdn.net
När det gäller mitten av det svarta hålet finns det en singularitet på denna plats- den punkt där materiens densitet och krökningen av rum-tid blir oändliga. Här upphör fysikens lagar, som vi förstår dem, att gälla. Materia som absorberas av ett svart hål komprimeras till en oändlig storlek, vilket skapar en enorm gravitationskraft.
Mer om ämnet: Vad livnär sig svarta hål på och påverkar detta deras utseende
Intressant nog är det som gör svarta hål observerbaraackretionsskivan, som består av gas och damm och roterar runt det. Materialet i ackretionsskivan värms upp till extremt höga temperaturer av friktion och gravitationskrafter, och sänder ut strålning i olika band av det elektromagnetiska spektrumet, inklusive röntgenstrålar.
Jets, rotation och gravitation
< p>Vissa svarta hål, särskilt supermassiva (de som ligger i galaxernas centrum) kan skjuta ut smala materiastrålar, kallade jets. Dessa strålar skjuts ut längs det svarta hålets spinnaxlar och kan sträcka sig i tusentals ljusår. Strålar bildas från material som inte förbrukades av det svarta hålet och accelererar istället längs dess magnetfält.
Strålen, en plasmastråle som flyr från det svarta hålet i dess centrum, ändrar periodiskt sin riktning. Bild: d182hggomw8pjd.cloudfront.net
Det finns också roterande eller Kerr-svarta hål, vars händelsehorisonter och strukturer skiljer sig markant från deras icke-roterande motsvarigheter. Sådana svarta hål skapar en “dragande” effekt. rum-tid omkring dig.
Svarta hål har en kraftfull inverkan på den omgivande rumtiden. De böjer det så mycket att det orsakar effekter som förutspås av Einsteins allmänna relativitetsteori, såsom gravitationslinsning (ljusets böjning runt ett svart hål) och tidsdilatation nära händelsehorisonten.
Mer Läs mer intressant. artiklar om svarta hål och andra invånare i universum på vår kanal i Yandex.Zen – artiklar som inte finns på webbplatsen publiceras regelbundet där!
Och även om svarta hål har flyttat från hypotetiska objekt till verkliga objekt under 2019, är de fortfarande föremål för intensiva studier, eftersom de ger unika möjligheter att testa vår kunskap om gravitation, kvantmekanik och universums struktur.
< h2> Den mörka materiens natur
Fysiker har pratat mycket om mörk materia under lång tid, för enligt observationer och tillgängliga data borde den finnas. Dessutom, för att förklara gravitationella anomalier i rymden, måste mörk materia vara ungefär 5 gånger vanligare i universum än vanlig synlig materia – till exempel i vår galax finns det 15 gånger mer mörk materia än vanlig materia.
Forskare bedömer förekomsten av mörk materia utifrån dess gravitationseffekt på rymdobjekt. Bild: static.scientificamerican.com
Problemet är dock att mörk materia, till sin natur, också är praktiskt taget oupptäckbar eftersom den interagerar mycket svagt med vanlig materia, förutom genom gravitationen. Och även om mörk materias natur förblir ett mysterium, tror de flesta forskare att denna hypotetiska substans består av okända elementarpartiklar.
Tyvärr, trots årtionden av ansträngning, har inga experiment upptäckt nya partiklar som kan vara ansvariga för mörk materia, säger Przemek Mroz från Warszawa University Astronomical Observatory i Polen.
Mroz är huvudförfattare till två artiklar som nyligen publicerats i Nature och Astrophysical Journal Supplement som testar om mörk materia kan förklaras av en annan mystisk klass av objekt i universum: svarta hål.
Fysiker vill förstå hur mörk materia och svarta hål hänger ihop? Bild: www.universetoday.com
Minns att sedan upptäckten av fusioner med svarta hål 2015 har cirka 100 fall identifierats. Dessa svarta hål är vanligtvis 20 till 100 gånger tyngre än vår sol, och svarta hål som tidigare upptäckts i Vintergatan är vanligtvis bara 5 till 10 solmassor. «Att förklara varför dessa två populationer av svarta hål är så olika varandra är ett av den moderna astronomis största mysterier,«, står det i artikeln.
Du kanske är intresserad: Fysiker arbetar med den nya gravitationsteorin – vilken roll spelar mörk materia i den?
Hur upptäcker man mörk materia?
I ett försök att besvara dessa och andra frågor har forskare föreslagit att de större svarta hålen som upptäcktes av LIGO- och Jungfru-experimenten är ursprungliga svarta hål som bildades i det tidiga universum. Eftersom gravitationsvågsdetektorer används för att upptäcka nya svarta hål, spekulerar fysiker att sådana ursprungliga svarta hål kan stå för en betydande del, om inte allt, av mörk materia. Dessutom, även om svarta hål inte avger ljus, kan denna teori testas.
En följd av Einsteins allmänna relativitetsteori är att massiva föremål kan böja ljus runt dem. Denna effekt kallasgravitationslinsning. När ett massivt föremål, som ett svart hål, kommer mellan jorden och andra föremål, som galaxer, växer dessa galaxer i storlek och deras ljusstyrka ökar.
Ju större massa föremålet är som orsakar gravitationslinser, desto längre ökar ljusstyrkan på kropparna bakom det. Bild: spacegid.com
Observera att linsning av objekt som är lika stora som solen varar flera veckor. Men gravitationslinsningen av svarta hål med en massa på mer än 100 solmassor skulle pågå i flera år.
Missa inte: The Quantum World: Hur är sterila neutriner och mörk materia relaterade?
Idén att gravitationslinser kunde hjälpa till att studera mörk materia framfördes först på 1980-talet av den polske astrofysikern Bogdan Paczynski. Experiment har visat att svarta hål mindre än solen kan utgöra mindre än 10 % av mörk materia. Men dessa tidiga experiment var inte känsliga för linser på längre tidsskalor.
Ett hål i teorin
Nu har astronomer från Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) presenterat nya resultat från 20 års observation av 80 miljoner stjärnor i det närliggande Stora Magellanska molnet. Om mörk materia i Vintergatan endast bestod av svarta hål, skulle forskarna förvänta sig att se 258 mikrolinsningshändelser. Istället visade deras resultat bara 13.
Diagrammet visar galaxer med gula prickar. Förväntade och observerade fenomen med mikrolinsning av massiva föremål mot Stora Magellanska molnet, synligt genom Vintergatans gloria. Bild: phys.org
Detta indikerar att massiva svarta hål inte kan utgöra mer än några få procent av mörk materia. För att vara exakt kan svarta hål med en massa på 10 solmassor inte innehålla mer än 1,2 % mörk materia. Svarta hål med en massa på 100 solmassor står för 3,0 % av mörk materia, och svarta hål med en massa på 1000 solmassor står för 11 % av mörk materia, förklarar Mroz.
Erhållen i studien visar data att primordiala svarta hål inte kan stå för en betydande del av mörk materia, och förklarar samtidigt de observerade svarta hålens sammanslagningshastigheter mätt av LIGO och Jungfrun. Hur som helst förblir mysteriet kring vad som utgör det mesta av mörk materia olöst.