الفلك

ما هي المدة التي يمكنك أن تحاصرها في مدار حول ثقب أسود؟

ما هي المدة التي يمكنك أن تحاصرها في مدار حول ثقب أسود؟

لدي قصة أريد كتابتها ولكني أريد التأكد من أنها ليست غير ذات صلة علميًا تمامًا.

أعلم أن هناك ثقب أسود النمذجة تسمى ثقوب كير السوداء ، حيث يوجد حد حول الثقوب السوداء يسمى أفق الحدث. إنه حد مكاني. لن يتمكن أي شعاع ضوئي يعبر هذا الحد من الإفلات من جاذبية الثقب الأسود. هذا هو تعريف أفق الحدث.

بالامتداد ، أعتقد أن أي جسم مادي (مثل سفينة الفضاء) يعبر أفق الحدث سيكون محكوم عليه بالدوران حول الثقب الأسود حتى يتم تدميره. سؤالي عن الوقت الذي يمكن أن تقضيه بين اللحظة التي تعبر فيها أفق الحدث (= أنت محكوم عليك) واللحظة التي تموت فيها بالفعل (على سبيل المثال من خلال تأثير المد ، الذي يدمر الأجسام أساسًا بسبب اختلاف قوة الجذب بين القدمين ورأس جسم الإنسان)؟ هل يمكن أن تستمر هذه اللحظة ... 100 عام؟ 1000 سنة ؟ (لقصتي كلما كان ذلك أفضل)

أعلم أن دراسات الثقوب السوداء نظرية للغاية ، أود فقط تجنب أي ثقوب علمية ضخمة.

أنا غير ماهر في هذا المجال من علم الفلك ، حول توسع الوقت ، وما إلى ذلك ، لذا إذا كان لدى أي شخص أي فكرة عن ترتيب مقدار الوقت الذي يمكن أن يقضيه الجسم خارج أفق حدث الثقب الأسود قبل أن يتلف؟

شكرا لإجاباتك :)


أنت محق في ذكر تمدد الوقت ، لأن وجهة النظر مهمة. الاستعارة القياسية هي أن رائد فضاء (أ) يسقط باتجاه أفق الحدث ، مرتديًا ساعة ، بينما يراقب رائد فضاء آخر (ب) من مسافة بعيدة. رائد الفضاء A سوف يسقط ببساطة عبر الأفق ويضرب التفرد ، لكن B لن يرى في الواقع A يعبر أفق الحدث ، وبدلاً من ذلك سيرى ساعة A تعمل بشكل أبطأ وأبطأ.

من حيث وقت البقاء ، الأكبر هو الأفضل. قد يؤدي الاقتراب جدًا من ثقب أسود صغير حقًا إلى تمزيقك بقوة المد والجزر دون الحاجة إلى عبور أفق الحدث (تمامًا كما تمارس الأقمار والكواكب قوى المد والجزر على بعضها البعض) - ولكن مع وجود ثقب فائق الكتلة لن تلاحظك حتى عبرتها.

بالنسبة لثقب أسود "قياسي" نسبيًا يبلغ حوالي 30 كتلة شمسية ، سيكون لدى رائد الفضاء المغمور حوالي 0.0001 ثانية بين عبور EH وضرب التفرد (من وجهة نظرهم ... انظر أعلاه ، لن يراهم B أبدًا يعبرون EH).


الثقب الأسود

أ ثقب أسود هي منطقة من الزمكان حيث تكون الجاذبية قوية لدرجة أنه لا يمكن لأي شيء - لا جزيئات أو حتى إشعاع كهرومغناطيسي مثل الضوء - الهروب منها. [1] تتنبأ نظرية النسبية العامة بأن كتلة مضغوطة بشكل كاف يمكن أن تشوه الزمكان لتشكيل ثقب أسود. [2] [3] تسمى حدود عدم الهروب أفق الحدث. على الرغم من أن له تأثيرًا هائلاً على مصير وظروف كائن يعبره ، وفقًا للنسبية العامة ، فإنه لا يحتوي على ميزات يمكن اكتشافها محليًا. [4] من نواحٍ عديدة ، يعمل الثقب الأسود كجسم أسود مثالي ، لأنه لا يعكس أي ضوء. [5] [6] علاوة على ذلك ، تتنبأ نظرية المجال الكمومي في الزمكان المنحني بأن آفاق الحدث تنبعث من إشعاع هوكينغ ، مع نفس الطيف مثل الجسم الأسود بدرجة حرارة تتناسب عكسياً مع كتلته. هذه درجة الحرارة في حدود المليار من كلفن للثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ، مما يجعل من المستحيل رصدها مباشرة.

الأشياء التي تكون مجالات جاذبيتها قوية جدًا بحيث يتعذر على الضوء الهروب منها ، تم النظر فيها لأول مرة في القرن الثامن عشر من قبل جون ميشيل وبيير سيمون لابلاس. [7] تم العثور على أول حل حديث للنسبية العامة من شأنه أن يميز الثقب الأسود بواسطة كارل شوارزشيلد في عام 1916 ، وتم نشر تفسيره كمنطقة من الفضاء لا يمكن الهروب منها بواسطة ديفيد فينكلشتاين لأول مرة في عام 1958. كانت الثقوب السوداء طويلة. تعتبر فضولًا رياضيًا ، ولم يظهر العمل النظري حتى الستينيات من القرن الماضي أنها كانت تنبؤًا عامًا للنسبية العامة. أثار اكتشاف جوسلين بيل بورنيل للنجوم النيوترونية في عام 1967 الاهتمام بالأجسام المدمجة المنهارة بفعل الجاذبية كواقع فيزيائي فلكي محتمل. كان أول ثقب أسود معروف على هذا النحو هو Cygnus X-1 ، والذي حدده العديد من الباحثين بشكل مستقل في عام 1971. [8] [9]

تتشكل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية عندما تنهار النجوم الضخمة جدًا في نهاية دورة حياتها. بعد أن يتشكل الثقب الأسود ، يمكنه الاستمرار في النمو عن طريق امتصاص الكتلة من محيطه. من خلال امتصاص النجوم الأخرى والاندماج مع الثقوب السوداء الأخرى ، تكون الثقوب السوداء الهائلة بملايين الكتل الشمسية (M. ) قد تتشكل. هناك إجماع على وجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكز معظم المجرات.

يمكن الاستدلال على وجود الثقب الأسود من خلال تفاعله مع مادة أخرى ومع الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء المرئي. يمكن للمادة التي تسقط على ثقب أسود أن تشكل قرص تراكم خارجي يتم تسخينه بالاحتكاك ، مكونًا الكوازارات ، وهي بعض من ألمع الأجسام في الكون. النجوم التي تمر بالقرب من ثقب أسود فائق الكتلة يمكن أن تتحول إلى شرائط متلألئة تتألق بشدة قبل أن "تبتلع". [10] إذا كانت هناك نجوم أخرى تدور حول ثقب أسود ، فيمكن استخدام مداراتها لتحديد كتلة الثقب الأسود وموقعه. يمكن استخدام هذه الملاحظات لاستبعاد البدائل الممكنة مثل النجوم النيوترونية. بهذه الطريقة ، حدد علماء الفلك العديد من الثقوب السوداء النجمية المرشحة في الأنظمة الثنائية ، وأثبتوا أن المصدر الراديوي المعروف باسم Sagittarius A * ، في قلب مجرة ​​درب التبانة ، يحتوي على ثقب أسود هائل من حوالي 4.3 مليون كتلة شمسية.

في 11 فبراير 2016 ، أعلن كل من LIGO Scientific Collaboration و Virgo التعاون عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية ، والتي مثلت أيضًا أول ملاحظة لدمج ثقب أسود. [11] اعتبارًا من ديسمبر 2018 [تحديث] ، لوحظ أحد عشر موجة جاذبية نشأت من عشرة ثقوب سوداء مدمجة (جنبًا إلى جنب مع اندماج نجمي نيوتروني ثنائي). [12] [13] في 10 أبريل 2019 ، تم نشر أول صورة مباشرة لثقب أسود ومحيطه ، بعد الملاحظات التي تم إجراؤها بواسطة Event Horizon Telescope (EHT) في عام 2017 للثقب الأسود الهائل في مركز مجرة ​​Messier 87. [14] [15] [16] في مارس 2021 ، قدم EHT Collaboration ، لأول مرة ، صورة مستقطبة للثقب الأسود والتي قد تساعد في الكشف بشكل أفضل عن القوى التي تؤدي إلى ظهور النجوم الزائفة. [17]

اعتبارًا من عام 2021 ، كان أقرب جسم معروف يعتقد أنه ثقب أسود يبعد حوالي 1500 سنة ضوئية (انظر قائمة أقرب الثقوب السوداء). على الرغم من أنه تم العثور على بضع عشرات من الثقوب السوداء فقط حتى الآن في مجرة ​​درب التبانة ، يُعتقد أن هناك مئات الملايين ، معظمها انفرادي ولا تسبب انبعاث إشعاع ، [24] لذلك يمكن اكتشافها فقط عن طريق عدسة الجاذبية .


الفيديو الذي كشف الثقب الأسود في مركز مجرتنا

قد لا يبدو هذا الفيديو كثيرًا ، لكنه الدليل الأكثر وضوحًا لدينا على أن مجرتنا درب التبانة تدور حول ثقب أسود ضخم للغاية. تم إنشاؤه بواسطة مجموعة في جامعة كاليفورنيا ، وهو يُظهر مدارات النجوم حول هذا الثقب الأسود - ويظهر لنا شيئًا صغيرًا آخر أيضًا.

لعقود من الزمان ، كان علماء الفيزياء الفلكية في حيرة بشأن ما يكمن في مركز مجرتنا. مجرة درب التبانة عبارة عن مجرة ​​حلزونية ، على شكل ما يشبه دوامة من النجوم ، ويبدو أن كل & quotarm & quot من الدوامة قد تم قذفه من منطقة مركزية. المشكلة؟ لا يمكننا رؤية مركز المجرة على الإطلاق - إنه مخفي خلف ضباب من الغبار والنجوم والغاز. لذلك بدأ علماء الفلك في النظر إلى مركز المجرة في الطرف الأحمر البعيد من طيف الضوء ، بحثًا عن موجات ضوئية منخفضة الطاقة يمكن أن تمر عبر كل هذا الغبار. لقد رأوا الكثير من النجوم تدور حولها. . . شيئا ما. لكن هذا الشيء لا يصدر أي ضوء في أي جزء من الطيف. كان الأمر كما لو أن مركز مجرتنا كان مجرد فراغ.

الذي يبدو قليلاً مثل الثقب الأسود ، أليس كذلك & # x27t؟ يعتقد معظم علماء الفلك ذلك. ولكن لم يكن لدينا دليل واضح حتى رسمنا مدارات النجوم في مركز المجرة. أدناه ، يمكنك مشاهدة مقطع فيديو آخر لهذه المدارات ، تم إنشاؤه باستخدام صور من التلسكوب الكبير جدًا في تشيلي.

انظر عن كثب إلى هذه المدارات ، وماذا ترى؟ أحدها هو شكل بيضاوي ضيق للغاية ، والذي يطلق نجمه بسرعة حول الفراغ الموجود في مركز المجرة. ساعدت معرفة شكل هذا القطع الناقص علماء الفلك على تحديد حجم الثقب الأسود - يجب أن يكون أصغر من أضيق جزء منه.

لكنهم أرادوا أيضًا معرفة مدى كتلة الجسم ، أو مقدار الكتلة التي تحشرها في تلك المساحة الصغيرة نسبيًا. فقط الكتلة ستكشف حقًا ما إذا كان ثقبًا أسود أم لا. لحسن الحظ ، هناك طريقة لاكتشاف الكتلة باستخدام قوانين Kepler & # x27s 3 لحركة الكواكب. اكتشف عالم الفلك يوهانس كيبلر في القرن السابع عشر أن هناك علاقة رياضية يمكن التنبؤ بها بين المدة التي تستغرقها أشياء مثل الكواكب للدوران حول نجم (وهذا ما يسمى الفترة المدارية) والمسافة بين تلك الكواكب وشمسها. بناءً على قوانين Kepler & # x27s ، اكتشف نيوتن ولايبنيز أن كتلة هذا النجم مرتبطة أيضًا بعلاقة رياضية مع الفترة والمسافة.

هنا & # x27s المعادلة: Mp ^ 2 = a ^ 3

ترجمة: الكتلة ضرب الفترة تربيع يساوي المسافة تكعيب (في الواقع المحور المداري تكعيب ، حيث تأتي & quota & quot من).

النتيجة: إذا كنت تريد معرفة مدى كتلة الجسم في مركز مجرتنا ، فكل ما تحتاج إلى معرفته هو الفترة المدارية لنجم يدور حوله ، بالإضافة إلى المسافة بين النجم والجسم. ثم يمكنك حساب الكتلة.

لحسن الحظ ، سمحت تلسكوباتنا التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء لعلماء الفلك بمراقبة مدارات تلك النجوم حول الجسم الغامض على مدى فترة طويلة من الزمن ، وهو ما تراه في كلا مقطعي الفيديو. لذلك تمكنا من معرفة أ) النجوم و # x27 الفترات المدارية و ب) كم تبعد مداراتها عن الجسم. هذه هي الطريقة التي اكتشفنا بها أن الجسم يحتمل أن يكون 4.1 مليون كتلة شمسية ، وقطره 6.2 ساعة ضوئية (يدور كوكب أورانوس تقريبًا حول الشمس و # x27). هذا يعني أن هذا الجسم قد حشر كتل 4.1 مليون شمس في فضاء & # x27s صغير مثل مدار أورانوس & # x27. فريكين المقدسة & # x27 مولي. فقط الثقب الأسود قادر على فعل ذلك.

وهذه هي الطريقة التي أتاحت لنا الرياضيات ، جنبًا إلى جنب مع المراقبة الدقيقة من خلال تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء ، & quot؛ رؤية & اقتباس الجسم غير المرئي الذي تدور حوله مجرتنا بأكملها- وتحديد أنه كان ثقبًا أسود.

بالنسبة لأولئك الذين يريدون معرفة المزيد عن الرياضيات ، يمكنك معرفة المزيد في هذه الورقة .


التجاعيد في الفضاء: الفيزياء الفلكية الملتوية واقع بين النجوم

ينظر كيب ثورن إلى الثقب الأسود الذي ساعد في تكوينه ويفكر ، "لماذا بالطبع. هذا ما عليه سيكون فعل." هذا الثقب الأسود الخاص هو محاكاة لدقة غير مسبوقة. يبدو أنه يدور بسرعة تقارب سرعة الضوء ، ويسحب معه أجزاء من الكون. (هذه هي الجاذبية بالنسبة لك ، النسبية غريبة للغاية.) من الناحية النظرية ، كانت ذات يوم نجمًا ، ولكن بدلاً من أن تتلاشى أو تنفجر ، انهارت مثل سوفليه فاشلة إلى نقطة صغيرة من التفرد الذي لا مفر منه. يبدو أن الحلقة المتوهجة التي تدور حول العاصفة الكروية تنحني فوق وتحت القاع في وقت واحد.

كل هذا طبيعي ، لأن أشياء غريبة تحدث بالقرب من الثقوب السوداء. على سبيل المثال ، جاذبيتها قوية جدًا لدرجة أنها تثني نسيج الكون. أوضح أينشتاين هذا: كلما زاد حجم الشيء ، زادت الجاذبية التي ينتجها. تقوم الأجسام مثل النجوم والثقوب السوداء بهذا الأمر بقوة لدرجة أنها في الواقع تنحني الضوء وتجذب الفضاء والوقت معها. ويصبح الأمر أكثر غرابة: إذا كنت أقرب إلى ثقب أسود مما كنت عليه ، فإن تصوراتنا عن المكان والزمان ستتباعد. نسبيًا ، يبدو أن الوقت يمر بشكل أسرع بالنسبة لي.

ماذا ترى ثورن هناك؟ إنه عالم فيزياء فلكية قادته الرياضيات إلى إنشاء هذا التأثير البصري المذهل ، وهو أكثر المحاكاة دقة على الإطلاق لما سيبدو عليه الثقب الأسود. إنه نتاج عام من العمل قام به 30 شخصًا وآلاف أجهزة الكمبيوتر. وإلى جانب مجرة ​​صغيرة من نجوم هوليوود - ماثيو ماكونهي ، وآن هاثاواي ، وجيسيكا شاستين ، وبيل إيروين ، وكيسي أفليك ، وجون ليثجو - تلعب المحاكاة دورًا مركزيًا في واقع بين النجوم، ملحمة السفر الفضائي المهيبة من إخراج كريستوفر نولان الافتتاحية في 7 نوفمبر. يرى ثورن الحقيقة. يرى نولان ، صانع الصور الماهر ، الجمال. يمكن للثقوب السوداء ، حتى الثقوب الخيالية ، أن تشوه الإدراك.

ثورن ليس لك متوسط ​​الفيزياء الفلكية. بالتأكيد ، هو مُنظِّر مشهور ، ولكن حتى قبل تقاعده من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في عام 2009 ، كان مهتمًا بشدة بشرح الأفكار القوية للنسبية لعامة الناس. قبل تقاعده مباشرة ، كان ثورن والمنتج السينمائي ليندا أوبست ، الذي كان يعرفه منذ أن حددهما كارل ساجان في موعد أعمى قبل ثلاثة عقود ، يتلاعبان بفكرة فيلم يتضمن الخصائص الغامضة للثقوب السوداء و الثقوب الدودية.

وسرعان ما وقع ستيفن سبيلبرغ على كتابة السيناريو لكاتب السيناريو جوناثان "جونا" نولان. في النهاية ، ترك سبيلبرغ شقيق جوناثان كريس - المعروف بإخراج أفلام عقلانية مثل تذكار و نشأه (زائد الرجل الوطواط). وبينما كان كريس نولان يعيد كتابة نص أخيه ، أراد أن يتعامل مع العلم في قلب قصته. لذلك بدأ لقاء مع ثورن.

على مدار شهرين في أوائل عام 2013 ، بحث ثورن ونولان في ما يسميه الفيزيائي "الجانب المشوه من الكون" - الزمكان المنحني ، والثقوب في نسيج الواقع ، وكيف تنحني الجاذبية الضوء. يقول ثورن: "القصة الآن هي أساسًا قصة كل من كريس وجونا". "لكن روحها ، هدف الحصول على فيلم يكون فيه العلم جزءًا لا يتجزأ من النسيج منذ البداية - وهو علم عظيم - تم الحفاظ عليه."

يعطي كريستوفر نولان وكيب ثورن WIRED نظرة حصرية على إنشاء واقع بين النجومالثقب الأسود.

© 2014 باراماونت جميع الحقوق محفوظة

تدور أحداث القصة التي توصل إليها صانعو الأفلام في مستقبل بائس عندما تفشل المحاصيل وتكون البشرية على وشك الانقراض. يتم تجنيد رائد فضاء سابق (ماكونهي) في رحلة أخيرة ، وهي محاولة يائسة للوصول إلى أنظمة نجمية أخرى حيث يمكن للبشر أن يزدهروا مرة أخرى.

وهنا تكمن المشكلة. انظر ، النجوم الأخرى حقا بعيدا جدا. قد يستغرق الوصول إلى أقربهم عقودًا بسرعات ، فنحن البشر ليس لدينا أي فكرة عن كيفية الوصول إليها. مرة أخرى في عام 1983 ، عندما احتاج ساجان إلى حل معقول لهذه المشكلة للقصة التي ستصبح الفيلم اتصال، اقترح ثورن الثقب الدودي ، وهو تمزق افتراضي في الكون يربط بين نقطتين بعيدتين عبر أبعاد تتجاوز الأربعة التي نختبرها كمكان وزمان. كان الثقب الدودي خيارًا طبيعيًا لـ واقع بين النجوم جدا. عندما تحدث ثورن عن الفيلم مع نولان ، أدت مناقشاتهم حول الخصائص الفيزيائية للثقوب الدودية إلى سؤال حتمي لصانع أفلام: كيف تعرض فعلاً واحدة على الشاشة؟

ليس هذا هو الصداع الوحيد الذي تسبب في بعض الفيزياء التي كان على فريق المؤثرات الخاصة في الفيلم أن يتعامل معها. اعتمدت قصة نولان على تمدد الوقت: يمر الوقت بمعدلات مختلفة لشخصيات مختلفة. لجعل هذا معقولاً علميًا ، أخبره ثورن أنه سيحتاج إلى ثقب أسود هائل - في الفيلم يُدعى Gargantua - يدور بسرعة الضوء تقريبًا. بصفته صانع أفلام ، لم يكن لدى نولان أي فكرة عن كيفية جعل شيء كهذا يبدو واقعيًا. لكن كانت لديه فكرة عن كيفية تحقيق ذلك. يقول ثورن: "اتصل بي كريس وقال إنه يريد إرسال رجل إلى منزلي ليحدثني عن التأثيرات البصرية". "قلت ، بالتأكيد ، أرسله." لم يمض وقت طويل قبل أن يظهر بول فرانكلين على عتبة باب ثورن.

عرف فرانكلين أن أجهزة الكمبيوتر الخاصة به ستفعل أي شيء أخبرهم به. كانت تلك مشكلة وإغراء. يقول فرانكلين ، المشرف الأول على دار المؤثرات الحائزة على جائزة الأوسكار Double Negative: "من السهل جدًا الوقوع في فخ كسر قواعد الواقع". "وهذه القواعد صارمة للغاية في الواقع."

لذلك طلب من ثورن أن يولد معادلات من شأنها أن توجه برمجيات التأثيرات بالطريقة التي تحكم بها الفيزياء العالم الحقيقي. لقد بدأوا بالثقوب الدودية. إذا كان الضوء حول الثقب الدودي لا يتصرف بشكل كلاسيكي - أي السفر في خط مستقيم - فماذا سيفعل؟ كيف يمكن وصف ذلك رياضيا؟

أرسل ثورن إجاباته إلى فرانكلين في شكل مذكرات خضعت لأبحاث مكثفة. كانت الصفحات طويلة ومتعمقة المصدر ومغطاة بالمعادلات ، وكانت أشبه بمقالات المجلات العلمية أكثر من أي شيء آخر. كتب فريق فرانكلين برنامج عرض جديدًا بناءً على هذه المعادلات وقام بتدوير ثقب دودي. كانت النتيجة غير عادية. كان مثل كرة بلورية تعكس الكون ، ثقب كروي في الزمكان. يقول: "يريد الخيال العلمي دائمًا تلبيس الأشياء ، كما لو أنه لا يسعد أبدًا بالكون العادي". "ما كنا نحصل عليه من البرنامج كان مقنعًا بشكل مباشر."

ماكونهي يستكشف عالمًا آخر في فيلم Interstellar (في الأعلى). مخطط ثورن لكيفية تشويه الثقب الأسود للضوء.

الرسوم البيانية مقدمة من كيب ثورن

شجع نجاحهم مع الثقب الدودي فريق التأثيرات على تجربة نفس النهج مع الثقب الأسود. لكن الثقوب السوداء ، كما يوحي الاسم ، هي جريمة قتل في النور. غالبًا ما يستخدم صانعو الأفلام تقنية تسمى تتبع الأشعة لتقديم الضوء والانعكاسات في الصور. يقول أوجيني فون تونزيلمان ، مشرف CG في Double Negative: "لكن برنامج تتبع الشعاع يجعل الافتراض المعقول عمومًا أن الضوء ينتقل على طول مسارات مستقيمة". كان هذا نوعًا آخر من الفيزياء. تقول: "كان علينا كتابة برنامج تصيير جديد تمامًا".

استغرقت بعض الإطارات الفردية ما يصل إلى 100 ساعة لتصييرها ، وكان الحساب مرهقًا بسبب أجزاء الانحناء من التشويه الناجم عن تأثير أينشتاين الذي يسمى عدسة الجاذبية. في النهاية ، صقل الفيلم 800 تيرابايت من البيانات. يقول فون تونزيلمان: "اعتقدت أننا قد نتخطى عتبة البيتابايت في هذا".

يقول فرانكلين: "لقد أراد كريس حقًا أن نروج لفكرة أن الثقب الأسود كروي". "قلت ،" كما تعلم ، سيبدو كقرص. "الشيء الوحيد الذي يمكنك رؤيته هو الطريقة التي يلتف بها ضوء النجوم." ثم بدأ فرانكلين بالقراءة عن أقراص التراكم ، وتكتلات المادة التي تدور حول بعض الثقوب السوداء. اعتقد فرانكلين أنه يمكنه استخدام حلقة المخلفات المدارية لتعريف الكرة.

جرب Von Tunzelmann عرضًا تجريبيًا مخادعًا. قامت بتوليد حلقة مسطحة متعددة الألوان - بديل لقرص التراكم - ووضعتها حول الثقب الأسود الدوار. حدث شيء غريب للغاية. يقول فرانكلين: "وجدنا أن انحناء الفضاء حول الثقب الأسود يشوه قرص التراكم أيضًا". "لذا فبدلاً من أن تبدو حلقات زحل حول كرة سوداء ، فإن الضوء يخلق هذه الهالة غير العادية."

هذا ما قاد ثورن إلى لحظة "لماذا ، بالطبع" عندما رأى التأثير النهائي لأول مرة. اعتقد فريق Double Negative أنه يجب أن يكون خطأ في العارض. لكن ثورن أدرك أنهم وضعوا نموذجًا صحيحًا لظاهرة متأصلة في الرياضيات التي قدمها.

ومع ذلك ، لم يكن أحد يعرف بالضبط كيف سيبدو الثقب الأسود حتى قاموا ببناء ثقب أسود بالفعل. أنتج الضوء ، المحاصر مؤقتًا حول الثقب الأسود ، نمطًا معقدًا بشكل غير متوقع بالقرب من ظل الثقب الأسود. وظهر قرص التراكم المتوهج فوق الثقب الأسود ، أسفل الثقب الأسود وأمامه. يقول ثورن: "لم أتوقع ذلك أبدًا". "أوجيني فقط أجرى المحاكاة وقال ،" مرحبًا ، هذا ما حصلت عليه ". لقد كان رائعًا."

في النهاية ، حصل نولان على صور أنيقة تقدم القصة. حصل ثورن على فيلم يعلم جمهورًا كبيرًا بعض العلوم الحقيقية والدقيقة. لكنه حصل أيضًا على شيء لم يكن يتوقعه: اكتشاف علمي. يقول عن تصورات الفيلم: "هذه هي بيانات المراقبة الخاصة بنا". "هذه هي الطريقة التي تتصرف بها الطبيعة. فترة." يقول ثورن إنه يمكنه الحصول على مقالتين منشورتين على الأقل.

عندما يناقش ثورن الفيزياء الفلكية التي يحبها أكثر من غيرها - اصطدام الثقوب السوداء ، وسحب الفضاء إلى الحركة بفعل دوران نجم ، والوقت يلتوي - استخدم الكثير من المقارنات. يتحدث عن إعصارين يصطدمان ببعضهما البعض أو أشعة من الضوء تتساقط مثل القش في مهب الريح. لكن الاستعارات يمكن أن تكون خادعة ، حيث يمكن أن تجعل الناس يعتقدون أنهم يفهمون شيئًا ما عندما يفهمون فقط ما هو عليه مثل. لكن ثقب ثورن الأسود الدوار والثقب الدودي الممتد عبر المجرة ليسا مجرد استعارات. معظم واقع بين النجوم سيرى المشاهدون هذه الصور - الثقب الدودي ، والثقب الأسود ، والضوء الغريب - ويفكرون ، "توقف. هذا جميل." نظرت إليهم ثورن وفكرت ، "توقف. هذا حقيقية. " ومن منظور معين ، هذا جميل أيضًا.

باراماونت المجاملة


كيف سيكون حال الوقوع في ثقب أسود؟

لنفترض أنك قررت تجاهل بعض نصيحتي السابقة. لقد اشتريت للتو لنفسك تنينًا فضائيًا من السوق في Centauri Ringworld ، مربوطًا بشفرة سلسلة البريد المفضلة لديك وسيفك الصوتي ، والآن ستركب رأسك أولاً في أقرب ثقب أسود.

نحن نعلم أنه لن يأخذك إلى عالم أو مجرة ​​أخرى ، ولكن ما الذي ستختبره وتراه في طريقك إلى زوالك الحتمي؟ وماذا سيرى بقية الكون أثناء حدوث ذلك ، وهل سيشيرون ويقولون "eewwwwww"؟

إذا كنت تسقط في اتجاه ثقب أسود ، فستشعر في معظم الأوقات بانعدام الوزن ، تمامًا كما لو كنت تلعب أغاني Bowie وتطفو في أكثر الطرق غرابة في محطة الفضاء الدولية. تشبه جاذبية الثقب الأسود جاذبية أي كتلة كبيرة أخرى ، طالما أنك لا تقترب كثيرًا. ولكن ، كما اتفقنا & # 8217 ، فإنك تتجاهل نصيحتي وتبدأ التنين الطائر أولاً في هذا الكابوس الفيزيائي. كلما اقتربت ، ستكون قوى الجاذبية على أجزاء مختلفة من جسمك وجسم التنين الخاص بك مختلفة. من الناحية الفنية ، هذا صحيح دائمًا ، لكنك لن & # 8217t تلاحظ ذلك ... على الأقل في البداية.

لنفترض أنك كنت تسقط قدمًا أولاً نحو ثقب أسود. كلما اقتربت ، ستشعر قدميك بقوة أقوى من رأسك ، على سبيل المثال. تسمى هذه الاختلافات في القوى قوى المد والجزر. بسبب قوى المد والجزر ، ستشعر كما لو أنك مشدود من رأسك حتى أخمص قدميك ، بينما ستشعر جانبيك وكأنهما يتم دفعهما إلى الداخل. في النهاية ستصبح قوى المد والجزر قوية جدًا لدرجة أنها ستمزقك. يشار أحيانًا إلى تأثير تمدد المد والجزر بشكل ممل باسم السباغيتيت.

لقد اختلقت بعض الأسماء الأخرى لها ، مثل My Own Private String Cheese Incident و "تأثير الخدمة الناعمة" و "AAAHHHHH AHHHH MY LEGS MY LEGS. ".

لذا دعونا نلخص. لن تنجو من السقوط نحو الثقب الأسود لأنك لن & # 8217t تستمع. لماذا لا تستمع؟

لن يراك الصديق الذي يراقبك تسقط باتجاه ثقب أسود أبدًا تصل إلى الثقب الأسود. عندما تسقط باتجاهها ، ستتسبب الجاذبية في انزياح أي ضوء قادم منك نحو الأحمر. لذا عندما تقترب من الثقب الأسود ، ستبدو أكثر حمراء أكثر فأكثر ، وستظهر صورتك باهتة وخافتة. سوف يراك صديقك محمرًا وخافتًا عندما تقترب ، ولكن لا تصل أبدًا إلى أفق حدث الثقب الأسود. إذا كان لا يزال بإمكانهم رؤيتك بعد هذه النقطة ، فسيكون هناك أحمر إضافي من داخلك يعيق المنظر.

تصور الفنان & # 8217s لأفق الحدث للثقب الأسود. الائتمان: فيكتور دي شوانبيرج / مكتبة صور العلوم

من الناحية الافتراضية ، إذا تمكنت من النجاة من عبور أفق الحدث للثقب الأسود ، فماذا
هل ترى بعد ذلك؟ خلافًا للاعتقاد السائد ، لن ترى مستقبل الكون بأكمله يومض أمامك.

ما ستراه هو ظلام الثقب الأسود الذي يملأ رؤيتك ، وعندما تقترب من أفق الحدث ، سترى النجوم والمجرات على حافة رؤيتك تتأرجح بواسطة الثقب الأسود. ستبدو السماء ببساطة سوداء أكثر فأكثر حتى تصل إلى أفق الحدث.

يعتقد الكثير من الناس أنه في أفق الحدث حيث ستتمزق ، وفي أفق الحدث تحدث كل أنواع الأشياء الغريبة. لسوء الحظ ، هذا يتماشى مع أولئك الذين يشتبهون في أن الثقوب السوداء هي في الواقع نوع من البوابات. بالنسبة للثقب الأسود ذي الكتلة الشمسية ، يمكن أن تكون قوى المد بالقرب من أفق الحدث كبيرة جدًا ، ولكن بالنسبة للثقب الأسود الهائل ، فهي ليست كبيرة جدًا على الإطلاق.

في الواقع ، كلما زاد حجم الثقب الأسود ، كانت قوى المد والجزر أضعف بالقرب من أفق الحدث. لذلك إذا كنت بالقرب من ثقب أسود فائق الكتلة ، يمكنك عبور أفق الحدث دون أن تلاحظ ذلك حقًا. هل ستظل مشدودًا تمامًا؟ أتراهن!

ماذا تعتقد؟ إذا كان بإمكانك إسقاط أي شيء في الثقب الأسود ، فماذا سيكون؟ اخبرنا في التعليقات أدناه.


ماذا سيحدث إذا سقطت الأرض في ثقب أسود؟

لا تقترب كثيرا. حقوق الصورة: NASA / JPL-Caltech، CC BY-SA

لطالما كانت الثقوب السوداء مصدرًا للكثير من الإثارة والمكائد. ومن المؤكد أن الاهتمام بالثقوب السوداء سيزداد الآن بعد اكتشاف موجات الجاذبية.

تتعلق العديد من الأسئلة التي طرحت على مدى صحة الخيال العلمي فيما يتعلق بالثقوب السوداء ، وما إذا كانت الثقوب الدودية ، مثل تلك الموجودة في Stargate ، حقيقية أم لا. على الرغم من ذلك ، فإن العنصر الوحيد الذي يكاد يكون من المؤكد ظهوره هو الطرق المروعة إلى حد كبير التي قد تؤثر بها الثقوب السوداء نظريًا على البشر والأرض نفسها.

هناك ثلاث خصائص للثقب الأسود يمكن قياسها (من حيث المبدأ): كتلته ودورانه (أو زخمه الزاوي) وشحنته الإلكترونية الكلية. في الواقع ، هذه هي المعلمات الثلاثة الوحيدة التي يمكن لأي مراقب خارجي أن يعرفها نظرًا لأن جميع المعلومات الأخرى حول أي شيء يدخل في تكوين ثقب أسود يتم فقده. يُعرف هذا باسم "نظرية عدم الشعر". بعبارة بسيطة: بغض النظر عن مدى كثافة أو تعقيد الجسم الذي ترميه في الثقب الأسود ، فإنه سيتم تقليصه (أو حلقه) إلى كتلته وشحنه ودورانه.

من بين هذه المعلمات ، يمكن القول إن الكتلة هي الأكثر أهمية. التعريف الدقيق للثقب الأسود هو أن كتلته تتركز في حجم صغير متلاشي - "التفرد". وكتلة الثقب الأسود - وقوى الجاذبية الهائلة التي تولدها كتلته - هي التي تسبب "الضرر" للأجسام القريبة.

أحد أكثر التأثيرات المعروفة للثقب الأسود القريب يحمل العنوان الخيالي "سباجيتيتيفيكيشن". باختصار ، إذا ابتعدت كثيرًا عن الثقب الأسود ، فسوف تتمدد ، تمامًا مثل السباغيتي.

يحدث هذا التأثير بسبب انحدار الجاذبية عبر جسمك. تخيل أنك تتجه قدميك أولاً نحو ثقب أسود. نظرًا لأن قدميك أقرب ماديًا إلى الثقب الأسود ، فسوف تشعران بقوة جذب أقوى تجاهه مما ستشعر به رأسك. الأسوأ من ذلك ، أن ذراعيك ، بحكم حقيقة أنهما ليسا في مركز جسمك ، سوف تنجذبان في اتجاه (متجه) مختلف قليلاً عن رأسك. سيؤدي ذلك إلى إحضار أجزاء من الجسم باتجاه الحواف إلى الداخل. النتيجة النهائية ليست فقط استطالة للجسم بشكل عام ، ولكن أيضًا ترقق (أو ضغط) في المنتصف. ومن ثم ، فإن جسمك أو أي جسم آخر ، مثل الأرض ، سيبدأ في تشبه السباغيتي قبل وقت طويل من وصوله إلى مركز الثقب الأسود.

ستعتمد النقطة الدقيقة التي تصبح فيها هذه القوى أكثر من اللازم بشكل حاسم على كتلة الثقب الأسود. بالنسبة للثقب الأسود "العادي" الذي نتج عن انهيار نجم عالي الكتلة ، يمكن أن يكون هذا على بعد عدة مئات من الكيلومترات من أفق الحدث - النقطة التي لا يمكن بعدها لأي معلومات أن تفلت من الثقب الأسود. ومع ذلك ، بالنسبة للثقب الأسود الهائل ، مثل ذلك الذي يُعتقد أنه موجود في مركز مجرتنا ، يمكن لجسم ما أن يغوص بسهولة تحت أفق الحدث قبل أن يصبح معكرونة ، على مسافة عشرات الآلاف من الكيلومترات من مركزه. بالنسبة لمراقب بعيد خارج أفق الحدث للثقب الأسود ، يبدو أننا نتباطأ تدريجياً ثم نختفي بمرور الوقت.

ما الذي سيحدث نظريًا إذا ظهر ثقب أسود من العدم بجوار الأرض؟ ستبدأ تأثيرات الجاذبية نفسها التي أنتجت السباغيتي في التأثير هنا. ستشعر حافة الأرض الأقرب إلى الثقب الأسود بقوة أقوى بكثير من الجانب البعيد. على هذا النحو ، فإن مصير الكوكب بأسره سيكون في متناول اليد. سوف يتم تفكيكنا.

وبالمثل ، قد لا نلاحظ حتى إذا ابتلعنا ثقب أسود هائل حقًا تحت أفق الحدث الخاص به حيث سيظهر كل شيء كما كان من قبل ، على الأقل لفترة قصيرة من الزمن. في هذه الحالة ، قد يستغرق الأمر بعض الوقت قبل وقوع الكارثة. لكن لا تفقد الكثير من النوم ، فسنكون من المؤسف أن "تصطدم" بثقب أسود في المقام الأول - وقد نعيش على الصورة المجسمة بعد الأزمة على أي حال.

ومن المثير للاهتمام أن الثقوب السوداء ليست بالضرورة سوداء. النجوم الزائفة - أجسام في قلوب المجرات البعيدة مدعومة بالثقوب السوداء - شديدة السطوع. يمكنهم بسهولة أن يتفوقوا على بقية مجرتهم المضيفة مجتمعة. يتولد مثل هذا الإشعاع عندما يتغذى الثقب الأسود على مادة جديدة. لنكون واضحين: هذه المادة لا تزال خارج أفق الحدث ولهذا لا يزال بإمكاننا رؤيتها. تحت أفق الحدث ، حيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب. كما يتراكم كل الامر من العيد يتوهج. هذا هو التوهج الذي نراه عندما ينظر المراقبون إلى النجوم الزائفة.

لكن هذه مشكلة بالنسبة لأي شيء يدور (أو بالقرب) من ثقب أسود ، لأنه حار جدًا بالفعل. قبل أن نتحول إلى معكرونة بوقت طويل ، فإن القوة المطلقة لهذا الإشعاع ستقلينا.

الحياة حول الثقب الأسود

بالنسبة لأولئك الذين شاهدوا فيلم كريستوفر نولان Interstellar ، قد يكون احتمال وجود كوكب يدور حول ثقب أسود أمرًا جذابًا. لكي تزدهر الحياة ، يجب أن يكون هناك مصدر للطاقة أو اختلاف في درجة الحرارة. ويمكن أن يكون الثقب الأسود هو ذلك المصدر. ومع ذلك ، هناك مشكلة. يجب أن يتوقف الثقب الأسود عن تناول أي مادة - أو أنه سيصدر الكثير من الإشعاع لدعم الحياة في أي عوالم مجاورة.

كيف ستبدو الحياة في مثل هذا العالم (على افتراض أنه ليس قريبًا جدًا من الحصول على السباغيتيت ، بالطبع) هي مسألة أخرى. من المحتمل أن تكون كمية الطاقة التي يتلقاها الكوكب ضئيلة مقارنة بما تتلقاه الأرض من الشمس. ويمكن أن تكون البيئة العامة لمثل هذا الكوكب غريبة بنفس القدر. في الواقع ، عند إنشاء Interstellar ، تمت استشارة Kip Thorne لضمان دقة تصوير الثقب الأسود المميز. هذه العوامل لا تمنع الحياة ، بل تجعلها مجرد احتمال صعب ويصعب للغاية التنبؤ بالأشكال التي يمكن أن تتخذها.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. اقرأ المقال الأصلي.


مراجع

كاساريس ، ج. وآخرون. طبيعة 505, 378–381 (2014).

ويليامز ، س.جيه وآخرون. الفلك. ج. 723، L93 – L97 (2010).

McSwain، M.V، Huang، W.، Gies، D.R، Grundstrom، E.D & amp Townsend، R. H. D. الفلك. ج. 672, 590–603 (2008).

Liu، Q. Z.، van Paradijs، J. & amp van den Heuvel، E. P. J. أسترون. الفلك. 455, 1165–1168 (2006).

جيس ، دي آر وآخرون. الفلك. ج. 493, 440–450 (1998).

فراير ، سي. الفلك. ج. 522, 413–418 (1999).

Brandt، N. & amp Podsiadlowski، P. الاثنين. لا. ر.أسترون. شركة 274, 461–484 (1995).

Belczynski، K.، Wiktorowicz، G.، Fryer، C. L.، Holz، D. E. & amp Kalogera، V. الفلك. ج. 757, 91 (2012).


أسترو 101: الثقوب السوداء

ما هو الثقب الأسود؟ هل هم حقا موجودون؟ كيف يتشكلون؟ كيف ترتبط بالنجوم؟ ماذا سيحدث إذا وقعت في واحدة؟ كيف ترى الثقب الأسود إذا لم ينبعث منها ضوء؟ ما الفرق بين الثقب الأسود والنجم المظلم حقًا؟ Could a particle accelerator create a black hole? Can a black hole also be a worm hole or a time machine? In Astro 101: Black Holes, you will explore the concepts behind black holes. Using the theme of black holes, you will learn the basic ideas of astronomy, relativity, and quantum physics. After completing this course, you will be able to: • Describe the essential properties of black holes. • Explain recent black hole research using plain language and appropriate analogies. • Compare black holes in popular culture to modern physics to distinguish science fact from science fiction. • Describe the application of fundamental physical concepts including gravity, special and general relativity, and quantum mechanics to reported scientific observations. • Recognize different types of stars and distinguish which stars can potentially become black holes. • Differentiate types of black holes and classify each type as observed or theoretical. • Characterize formation theories associated with each type of black hole. • Identify different ways of detecting black holes, and appropriate technologies associated with each detection method. • Summarize the puzzles facing black hole researchers in modern science.

Получаемые навыки

Gravitation, Theory Of Relativity, Physics, Astronomy, Black Hole

Рецензии

Takes time to finish, yet totally interesting, and surely worth it. If you're a space enthusiast, this will surely leave you craving for more knowledge. Not boring at all. Kudos to the instructors.

An excellent point for amateur astronomers to gain insight into the underlying astrophysics without going too much into the technicalities and wonderful references to keep you glued to the course.

What would you see as you approached a black hole, using a black hole binary as a vehicle to explore black holes? In this module students will follow material as it is transferred from a companion star to a black hole via Roche lobe overflow or wind fed accretion. They will then follow that material down through the accretion disc to explore tidal forces to learn about the ways in which black holes can rip apart surrounding material. This material will then pass through the innermost stable orbit of the disc, before falling in. Students will also get the opportunity to look at jets - the outflow of material from the innermost regions of this structure.

Module Objective: Introduce properties of black holes from the outside in, through the context of a journey into the event horizon of a black hole. What would we see as we are far away? What will we see and experience as we get closer? What is a disc? What is a jet?

Преподаватели

Sharon Morsink

Текст видео

After a thorough investigation of the accretion disk around the black hole, we'll end this module teetering at the edge of stability. Note, we're not discussing the black hole's event horizon just yet, but we can stay indefinitely in a stable orbit around a black hole as long as we don't cross a boundary called the Innermost Stable Circular Orbit. If Cygnus X-1 were not rotating, it would permit stable orbits about three times the distance from its event horizon. We'll learn in module six what happens when a black hole rotates. But this would allow stable orbits as close as 130 kilometers from the center of Cygnus X-1, or 90 kilometers from its event horizon. The innermost stable circular orbit is the boundary that distinguishes between stable orbits which don't require energy for an object to stay in orbit there, and unstable orbits which will pull you in towards the black holes event horizon. Unless you have very powerful engines like the enterprise and Star Trek. The innermost stable circular orbit, which we will henceforth just call the I-S-C-O or ISCO, defines the inner edge of the accretion disk beyond which material will fall freely and become captured by the black hole. Somewhere between the accretion disk and the event horizon, Newtonian gravity stops being a good approximation. The gravitational field becomes much stronger than Newtonian gravity predicts. This increased strength of the gravitational field is due to corrections by Einstein's theory of general relativity. The result is that the gravitational pull becomes much stronger within the region bounded by the ISCO, and stable orbits predicted by Newtonian gravity are no longer stable. Since the gravitational potential around a black hole is represented by a Schwarzschild potential, there are five kinds of orbits that we can find. There are stable and unstable circular orbits, orbits that we call bound precessing orbits, scattering orbits, and plunging orbits. For a Schwarzschild black hole, the solution to the equations of general relativity tell us the peak of the potential occurs at a radius equal to six GM divided by c squared, which should be looking pretty familiar right now. Recall that we've already encountered the radius of a Schwarzschild black hole when we were experimenting with the escape velocity formula. The Schwarzschild radius, which describes the event horizon of a black hole, occurs at a radius of two GM over c squared. Quite the coincidence. The only difference between the innermost stable circular orbit and the event horizon is a multiple of three. Actually, this makes life quite a bit easier for us since we can simply state the innermost stable circular orbit of a non-rotating black hole is three times further from the black hole's event horizon. The key here is that it's not rotating. We haven't discussed much about rotating black holes yet, and we'll get more into it in module six. But I just can't help myself here, because the ISCO will actually change when we're considering a rotating black hole. This is apparent in the movie Interstellar when the crew of the Endurance visit Miller's planet very close to Gargantua's event horizon. "Gargantua's an older spinning black hole. It's what we call a gentle singularity. Gentle. They are hardly gentle. The tidal gravity is so quick that something crossing the horizon fast might survive. A probe, say. What happens after it crosses? After the horizon is a complete mystery." They were able to do it safely because a rotating black hole can actually have an ISCO that's much closer to the event horizon. In an extreme case, a rotating black hole could have an ISCO coincident with the event horizon. But we'll see more about that in an upcoming lesson. Now, one final note about the innermost stable circular orbit. We've only covered matter interacting with the gravitational field of the black hole. If instead we looked at light, we would have found a different result. The ISCO for light orbiting a non-rotating black hole can be a factor of two closer to the event horizon. Photons can get trapped in circular orbits at the light ISCO radius, and orbit many times before escaping. We can then detect these photons, which would look like they're coming from a sphere of light surrounding the black hole, which scientists sometimes call the photon sphere.


The Singularity: Resistance Is Futile

We know today that black holes are an unavoidable consequence of Albert Einstein’s general theory of relativity. In this framework, gravity is geometry: Mass tells spacetime how to curve, and spacetime’s curves tell mass how to move. Black holes are where mass curves spacetime so much that nothing, not even light, can escape.

Technically, the concept of a dense object from which light can’t escape predates Einstein. The English priest and scientist John Michell and the French polymath Pierre-Simon Laplace independently suggested the idea in the late 1700s. But it was the German astronomer Karl Schwarzschild who laid the groundwork for black holes as we know them today, when he solved Einstein’s equations for how a symmetric, nonrotating, and hefty mass would curve the spacetime around it — all while on a World War I battlefront in early 1916.

In 1939, calculations by American physicist Robert Oppenheimer and his student Hartland Snyder showed that an astronomical body will inevitably contract to a التفرد of infinite density in certain cases of spherically symmetric collapse. An event horizon would surround the singularity, closing the interior off from the outside universe. (Einstein loathed the idea.) New Zealand mathematician Roy Kerr expanded the work to rotating objects in 1963.

But it was Penrose in the mid-1960s who generalized the idea: He showed that collapse to a singularity always happens when there’s enough mass/energy packed together, regardless of the symmetry of the collapse.

This diagram is based on Penrose’s 1965 paper and shows the collapse of matter into a black hole. Time progresses from bottom to top. أ light cone is all the points that can be connected to a particular event (say, a flash) by a ray of light. On a trapped surface (red line), all light cones are tipped inwards, and the formation of a singularity is inevitable.
© Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Penrose introduced a new mathematical concept to make this leap: trapped surfaces. A trapped surface forces all rays perpendicular to it to converge, regardless of whether the surface curves inwards or outwards. Light cannot escape it can only stand still. And since nothing can travel faster than light, everything else falls in. The path inward is as inexorable as the forward arrow of time outside the black hole: one-way traffic only.

The unavoidable outcome is a singularity — which, for related reasons, is sometimes described as a single moment in time. It remains unclear what the singularity actually is. All we know is, it’s there that classical physics breaks down. (In gravity terms, spacetime becomes infinitely curved.)

Among his other contributions, Penrose also discovered that it’s possible to extract energy from a spinning black hole. Place a heavy mug on a cloth napkin and twist the mug. The napkin will twist with the mug, creating a warped cloth landscape. Something similar happens with a spinning black hole: It drags the fabric of spacetime around with it, in what’s called the Lense-Thirring effect. (Earth does this, too, but not as severely.)

The twisted region is called the ergosphere. Here, an astronaut (or asteroid, or any other object) would be forcibly dragged around with the black hole’s rotation, even though they were outside the event horizon. Penrose realized that it’s possible to steal rotational energy from the black hole via the ergosphere. Others have since used this insight to suggest that spin energy is how black holes power their relativistic jets, some of which shoot across thousands of light-years.

Artist's concept of the rosette drawn by a star orbiting the supermassive black hole at the center of the Milky Way. The illustration exaggerates the effect for clarity: The actual shift between the star's farthest points (the tips of the rosette) would be less than a milliarcsecond, or less than 10 millionths of a degree.
ESO / L. Calçada


The orbit of a star near our galaxy’s black hole proves Einstein right

The movement of a star close to our galaxy’s supermassive black hole has proved Albert Einstein right about gravity once again. After 27 years of observation, we have finally nailed down the orbit of this star, called S2, precisely enough to spot a strange effect predicted by his general theory of relativity.

S2 circles the supermassive black hole at the centre of the Milky Way about once every 16 years. Since 1992, astronomers have been observing it with some of the most powerful telescopes on Earth to precisely trace its looping orbit.

“The precision we now have in measurements of the relative positions of the black hole and the star is comparable to watching a football game on the moon. Then you have to measure the size of the football to within of a few centimetres,” says Frank Eisenhauer at the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Germany.

الإعلانات

Read more: Some planets may orbit a supermassive black hole instead of a star

He and his colleagues examined the piles of observations of S2 and found that its orbit isn’t as we would expect under Isaac Newton’s basic theory of gravity. Instead of simply following the same path on orbit after orbit, it swings around the black hole in a new direction each time, tracing out a shape that looks a bit like a daisy flower.

“Normally, if you put a star in orbit, it moves along an ellipse and the orbit closes,” says Eisenhauer. “But when the gravity is very strong, the ellipse moves from orbit to orbit and makes a rosette shape.”

This sort of movement is predicted by Einstein’s general theory of relativity, which dictates that the black hole should distort space-time around it, dragging the orbits of nearby stars as well.

It has been observed in our own solar system – Mercury’s orbit is also rosette-shaped rather than elliptical – but the effect is much more pronounced at the centre of the galaxy because the black hole is far more massive than the sun and thus stretches space-time in a more extreme way. Yet again, Einstein was right.

Journal reference: علم الفلك والفيزياء الفلكية, DOI: 10.1051/0004-6361/202037813


شاهد الفيديو: قمر صناعي يصور نجما يهوي في قلب ثقب أسود (شهر نوفمبر 2021).