Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Hawking miał rację co do czarnych dziur. Po 50 latach eksperymentalnie potwierdzono jego twierdzenie

Recommended Posts

W 1971 roku Stephen Hawking stwierdził, że powierzchnia horyzontu zdarzeń czarnej dziury nie może się skurczyć. Teraz, niemal 50 lat po sformułowaniu tego prawa, fizycy z MIT i innych uczelni potwierdzili, że Hawking miał rację.

Naukowcy wykorzystali przy tym sygnał grawitacyjny GW150914. To pierwsza fala grawitacyjna, wykryta przez LIGO w 2015 roku. Fala powstała w wyniku oddziaływania dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, w które w końcu się połączyły w jedną czarną dziurę.

Jeśli Hawking miał rację, to powierzchnia horyzontu zdarzeń nowej czarnej dziury nie powinna być mniejsza od powierzchni horyzontów zdarzeń jej dwóch dziur. Fizycy przeanalizowali sygnał GW150914 sprzed i po zderzeniu dziur i stwierdzili, że po połączeniu obiektów całkowita powierzchnia nowego horyzontu zdarzeń nie zmniejszyła się.

To pierwsze obserwacyjne potwierdzenie słów Hawkinga. Dotychczas specjaliści byli w stanie udowodnić je matematycznie, ale nie obserwacyjnie. Autorzy badań chcą przeanalizować inne fale grawitacyjne, by sprawdzić, czy również i w nich znajdą potwierdzenie sformułowanego przez Hawkinga prawa.

Możliwe, że istnieje wiele różnych kompaktowych obiektów w przestrzeni kosmicznej. Niektóre z nich mogą być czarnymi dziurami, dla których opisy Einsteina i Hawkinga są ważne, inne zaś mogą zachowywać się nieco inaczej. To nie jest tak, że wystarczy potwierdzić coś raz i tyle wystarczy, mówi główny autor badań, Maximiliano Isi z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. W badaniach bali tez udział Will Farr ze Stony Brook University, Matthew Giesler i Saul Teukolsky z Cornell University oraz Mark Scheel z Caltechu.

Gdy w 2015 roku LIGO wykrył fale grawitacyjne, Stephen Hawking skontaktował się z profesorem Kipem Thornem, współzałożycielem LIGO i zapytał go, czy wykrycie fal grawitacyjnych pozwala potwierdzić jego twierdzenie o powierzchni horyzontu zdarzeń. Wówczas jednak naukowcy nie byli w stanie pozyskać z sygnału odpowiednich danych sprzed i po połączeniu czarnych dziur, więc nie mogli porównać powierzchni horyzontów zdarzeń.

Dopiero w 2019 roku Isi i jego koledzy opracowali technikę, która pozwoliła na pozyskanie odpowiednich informacji z konkretnych zarejestrowanych częstotliwości. Informacje te można następnie wykorzystać do obliczenia masy i spinu czarnej dziury. Z kolei masa i spin są bezpośrednio związane z powierzchnią horyzontu zdarzeń.

Gdy już mieli tę technikę opanowaną, „wystarczyło” podzielić sygnał GW150914 w jego szczycie. Analiza sygnału sprzed szczytu pochodziła z dwóch krążących wokół siebie czarnych dziur, a nowa technika pozwoliła na określenie ich masy i spinu sprzed połączenia się. Na tej podstawie wyliczyli powierzchnię horyzontu zdarzeń obu czarnych dziur na około 235 000 kilometrów kwadratowych. Następnie w podobny sposób policzyli powierzchnię horyzontu zdarzeń nowo powstałej czarnej dziury i okazało się, że wynosi ona 367 000 km2.

Dane bezsprzecznie pokazują, że po połączeniu powierzchnia horyzontu zdarzeń zwiększyła się, mówi Isi.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites
Posted (edited)

Chodzi chyba o to, że nie może się skurczyć w wyniku klasycznych procesów, o ile zderzenie dwóch BH można nazwać klasycznym :) Promieniowanie Hawkinga czy inne efekty kwantowe dalej mogą odparować czarną dziurę i zmniejszyć powierzchnię horyzontu zdarzeń. Dobrze kombinuję? :) 

Edited by cyjanobakteria

Share this post


Link to post
Share on other sites

Promień Schwarzschilda z 1916 roku ( https://en.wikipedia.org/wiki/Schwarzschild_radius ) jest proporcjonalny do masy, czyli powierzchnia do kwadratu masy - np. łącząc dwie czarne dziury o tej samej masie, pole powierzchni powinno wzrosnąć ze 2 razy ... to że nie zmalało nie jest niespodzianką.

Dodatkowo przyjmuje się że jednak powoli maleje - poprzez promieniowanie Penrosa.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Posted (edited)

No Jarek dobrze kombinuje. Ten artykuł, wzorowany na wielu innych, nie jest o tym o czym się wydaje że jest. Dlatego uważnemu czytelnikowi coś tu się nie klei.
No bo, to że masa powstałej CD jest mniejsza - to było wiadomo od razu przy detekcji fal grawitacyjnych.
Tylko że powierzchnia horyzontu zależy od masy i SPINU i ŁADUNKU. I to z tym spinem był problem w tym wypadku.
W ogóle to tych rodzajów CD jest kilka - a zazwyczaj wszyscy odnoszą się do klasycznej, wiecznej, niewirującej i bez ładunku CD.

W dniu 5.07.2021 o 18:00, cyjanobakteria napisał:

Promieniowanie Hawkinga czy inne efekty kwantowe dalej mogą odparować czarną dziurę i zmniejszyć powierzchnię horyzontu zdarzeń.

Tak, ale to jest tak wolne że nigdy tego przy naszych możliwościach obserwacyjnych zapewne nie zauważymy - temperatura promieniowania przeciętnej i większej CD jest dużo niższa niż mikrofalowego promieniowania tła - to jak próba obserwacji świeczki poprzez zapaloną żarówkę.
A przecież CD straciły przy zlaniu się bardzo dużo masy, czyli samo łączenie CD sprawia że część energii wraca do naszej czasoprzestrzeni.

Edited by thikim

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na łamach Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pojawiły się wyniki nowego teoretycznego studium mechanizmu powstawania supermasywnych czarnych dziur. Jego autorzy, międzynarodowy zespół naukowy, twierdzą, że supermasywne czarne dziury nie muszą powstawać ze zwykłej materii, a mogą tworzyć się bezpośrednio z ciemnej materii.
      Powstawanie i ewolucja czarnych dziur to wciąż jedna z zagadek astronomii. Wiemy, że supermasywne czarne dziury istniały już 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Wciąż nie wiemy, jak mogły uformować się tak szybko.
      Standardowe modele tworzenia się czarnych dziur mówi o materii barionowej, która zapadła się pod wpływem grawitacji, utworzyła czarną dziurę, która z czasem rosła wchłaniając pobliską materię.
      Autorzy nowej pracy badali teoretyczne możliwości istnienia stabilnych jąder galaktyk utworzonych z jądra z ciemnej materii i otaczającej je rozproszonego halo ciemnej materii. W czasie badań zauważyli, że centralne miejsca takich struktur mogą stać się tak gęste, że po przekroczeniu pewnej granicy zapadną się tworząc supermasywną czarną dziurę.
      Z modelu wynika, że takie zjawisko może zachodzić znacznie szybciej niż inne mechanizmy powstawania supermasywnych czarnych dziur. Na tyle szybko, że mogły się one formować we wczesnym wszechświecie, zanim jeszcze powstały galaktyki, w centrach których się znajdują.
      Nowy scenariusz formowania może wyjaśniać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie, bez potrzeby odwoływania się do wcześniejszego powstania gwiazd czy formowania się czarnych dziur o nierealnym tempie wzrostu, mówi główny autor badań Carlos R. Argüelles z Universidad Nacional de La Plata.
      Nasza praca pokazuje, że wewnątrz halo ciemnej materii mogą znajdować się gęste ośrodki, które mogą wyjaśniać formowania się supermasywnych czarnych dziur, mówi uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ziemia jest bliżej supermasywnej centralnej czarnej dziury – Sagittariusa A* – naszej galaktyki i porusza się szybciej niż dotychczas sądzono. Tak wynika z nowej mapy sporządzonej na podstawie ponad 15-letnich badań prowadzonych przez japoński projekt astronomiczny VERA.
      VERA (VLBI Exploration of Radio Astrometry) wystartował w 2000 roku. Głównym zadaniem projektu jest określenie struktury przestrzennej i prędkości obiektów w Drodze Mlecznej. Naukowcy wykorzystują technikę interferometrii, która pozwala połączyć dane z różnych radioteleskopów znajdujących się w Japonii i uzyskać obraz o takiej rozdzielczości, jak z jednego radioteleskopu o średnicy 2300 kilometrów. Uzyskano w ten sposób rozdzielczość wynoszącą 10 mikrosekund kątowych. To rozdzielczość wystarczająca, by – przynajmniej teoretycznie – dostrzec z Ziemi 2-złotówkę leżącą na powierzchni Księżyca.
      Jako, że Ziemia znajduje się wewnątrz Drogi Mlecznej, nie możemy badać naszej galaktyki z zewnątrz. Żeby zrozumieć strukturę Drogi Mlecznej musimy posłużyć się astrometrią, dokładnymi pomiarami pozycji i ruchu obiektów w naszej galaktyce. Dzięki temu jesteśmy w stanie odtworzyć jej trójwymiarową strukturę.  Właśnie opublikowano First VERA Astrometry Catalog, w którym znajdują się dokładne dane dotyczące 99 obiektów Drogi Mlecznej.
      Dzięki temu dowiedzieliśmy się właśnie, że Ziemia porusza się wokół centrum Drogi Mlecznej z prędkością 227 km/s, czyli o 7 km/s szybciej, niż sądziliśmy. Jest też o 2000 lat świetlnych bliżej Sagittariusa A*. Od centralnej czarnej dziury dzieli nas zatem 25 800 lat świetlnych, a nie 27 700 lat świetlnych.
      Teraz VERA obserwuje kolejne obiekty, szczególnie te znajdujące się blisko czarnej dziury. Projekt VERA przystąpił też do programu EAVN (East Asian VLBI Network), w ramach którego współpracują ze sobą radioteleskopy w Japonii, Korei Południowej i Chin. Dzięki zwiększeniu liczby urządzeń oraz odległości pomiędzy nimi EAVN osiągnie większą rozdzielczość niż VERA i dostarczy jeszcze bardziej dokładnych danych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej – Sagittarius A* – obraca się wolniej niż się spodziewano. Jej obrót jest wolniejszy, a prawdopodobnie znacznie wolniejszy, niż 10% prędkości światła. To niezwykle powoli jak na obracającą się czarną o masie 4,15 miliona razy większej od masy Słońca.
      Prędkość obrotowa czarnej dziury jest ważna z dwóch powodów. Po pierwsze horyzont zdarzeń czarnej dziury, czyli miejsce spoza którego nic nie może się wydostać, jest coraz większy i większy w miarę, jak czarna dziura pochłania coraz więcej materii. Jednak im szybciej dziura się obraca, tym bardziej kurczy się jej horyzont zdarzeń. To zaś powoduje, że szybko obracające się czarne dziury mają mniejszy horyzont zdarzeń niż wolno obracające się czarne dziury o tej samej masie. Po drugie, tempo obrotu czarnej dziury odgrywa rolę w pojawianiu się dżetów z obu stron czarnej dziury. Większość galaktyk podobnych do Drogi Mlecznej posiada supermasywne czarna dziury, a wielu z nich towarzyszą potężne dżety.
      Jednak Droga Mleczna nie posiada dżetów. Już samo to sugeruje, że SgrA* nie obraca się zbyt szybko. Specjaliści sądzą bowiem, że dżet to materia z dysku akrecyjnego, która znajduje się zaraz poza horyzontem zdarzeń i która została przyspieszona w wyniku szybkiego obrotu czarnej dziury. Brak dżetu może sugerować, że albo takiej materii w dysku akrecyjnym SgrA* jest bardzo mało, albo dziura obraca się wolno, albo też mają miejsce obie te sytuacje.
      Autorzy najnowszych badań postanowili zmierzyć obrót Sagittariusa A*. Wykorzystali w tym celu gwiazdy znajdujące się w bezpośrednim otoczeniu czarnej dziury. Stwierdzili, że wszystkie te gwiazdy znajdują się na dwóch płaszczyznach. Gdyby narysować ich orbity i przyjrzeć im się z boku, okaże się, że tworzą one kształt X. Z obliczeń wynika, że gdyby SgrA* obracała się szybciej niż 10% prędkości światła, to gwiazdy te zostałyby wyrzucone z takich orbit. Orbity te są najprawdopodobniej równie stare co same gwiazdy. Powstały one w momencie narodzin tych gwiazd. Gdyby czarna dziura wirowała bardzo szybko, już byśmy takich orbit nie obserwowali.
      Wszystko, co w przestrzeni kosmicznej obraca się bardzo szybko wywiera wpływ na obiektu znajdujące się na orbitach. Z czasem oddziaływanie takiego szybko obracającego się obiektu powoduje, że orbity mniejszych obiektów wokół niego coraz bardziej do płaszczyzny obrotu masywnego obiektu. Jeśli zaś masywny obiekt obraca się powoli, słabiej oddziałuje na obiekty na jego orbitach, dzięki czemu mogą one utrzymać swoje pierwotne orbity.
      Więcej na temat badań można przeczytać na łamach Astrophysical Journal Letters.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Very Large Telescope zauważył sześć galaktyk zgromadzonych wokół supermasywnej czarnej dziury z czasów, gdy wszechświat liczył sobie mniej niż miliard lat. Po raz pierwszy zauważono takie zgrupowanie z czasów tak nieodległych od Wielkiego Wybuchu. Odkrycie pomaga lepiej zrozumieć, w jaki sposób supermasywne czarne dziury mogą powstawać i ewoluować tak szybko.
      Głównym celem naszych badań było lepsze zrozumienie jednych z najbardziej niezwykłych obiektów astronomicznych – supermasywnych czarnych dziur istniejących już we wczesnym wszechświecie. Dotychczas nikt nie potrafi dobrze wyjaśnić ich istnienia, mówi główny autor badań, Marco Mignoli z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Bolonii.
      Nowe obserwacje ujawniły istnienie galaktyk znajdujących się w okolicach supermasywnej czarnej dziury, a całość otoczona jest „pajęczą siecią” gazu rozciągającego się na obszarze 300-krotnie większym niż obszar Drogi Mlecznej. Olbrzymia ilość gazu zasila zarówno galaktyki, jak i czarną dziurę. Naukowcy szacują, że czarna dziura ma masę miliarda mas Słońca, a otaczająca całość gazowa struktura powstała, gdy wszechświat liczył sobie zaledwie 900 milionów lat.
      Obecnie uważa się, że pierwsze czarne dziury powstały z pierwszych gwiazd, które się zapadły. Musiały one błyskawicznie ewoluować, skoro po 900 milionach lat istnienia wszechświata osiągały masę miliarda Słońc. Astronomowie mają jednak problemy z wyjaśnieniem tej ewolucji. Takie czarne dziury musiałyby bowiem bardzo szybko wchłaniać olbrzymie ilości materii. Odkrycie galaktyk otaczających czarną dziurę i spowijającej wszystko sieci gazu może wyjaśniać tę błyskawiczną ewolucję.
      Powstaje jednak pytanie, w jaki sposób dochodzi do tworzenia się „pajęczej sieci” gazu. Astronomowie sądzą, że bierze w tym udział ciemna materia. To ona przyciąga gaz, który tworzy olbrzymie struktury, wystarczające, by wyewoluowały z nich zarówno galaktyki, jak i czarne dziury.
      Nasze badania wspierają hipotezę mówiącą, że najbardziej odległe masywne czarne dziury tworzą się i rosną w masywnym halo ciemnej materii. Dotychczas takich struktur nie wykrywaliśmy, gdyż ograniczały nas nasze możliwości obserwacyjne, wyjaśnia współautor badań Colin Norman z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Zaobserwowane teraz galaktyki są jednymi z najsłabiej świecących, jakie udało się zarejestrować.  Aby je zauważyć, konieczne były wielogodzinne obserwacje za pomocą jednych z najpotężniejszych teleskopów optycznych. Dzięki temu uczeni dowiedli też, że istnieje związek pomiędzy czterema galaktykami, a czarną dziurą
      Sądzimy, że obserwujemy wierzchołek góry lodowej. Że te galaktyki, które widzimy, są najjaśniejszymi, jakie się tam znajdują, przyznaje Barbara Balmaverde z Narodowego Instytutu Astrofizyki w Turynie.
      Pozostaje tylko mieć nadzieję, że jeszcze większe teleskopy optyczne, jak budowany właśnie Extremely Large Telescope, pozwolą dostrzec więcej szczegółów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Teorie mówią, że nie istnieją gwiazdowe czarne dziury o takiej masie. Ale, jak wiemy, natura zawsze znajdzie jakiś sposób, mówi Stan Woosley, astrofizyk z University of California, Santa Cruz. Uczony skomentował w ten sposób to, co zarejestrowały wykrywacze fal grawitacyjnych LIGO i Virgo. A przechwyciły one sygnał świadczący o niezwykle mało prawdopodobnej kolizji czarnych dziur o rzadko spotykanej masie.
      Eksperci,  którymi kontaktowali się dziennikarze poinformowali, że wśród 22 fal grawitacyjnych zarejestrowanych od kwietnia przez LIGO/Virgo znajduje się taki, który pochodzi od czarnej dziury o masie nawet 100 mas Słońca. Dzisiaj naukowcy potwierdzili, że zauważyli kolizję dwóch czarnych dziur o masach 65 i 85 mas Słońca, w wyniku której powstała czarna dziura o masie 150 mas Słońca.
      Krzysztof Bełczyński, astrofizyk z Uniwersytetu Warszawskiego, był tak pewien, iż zderzenie takich czarnych dziur jest mało prawdopodobne, że w 2017 roku w podczas spotkania w Aspen Center For Physics wraz z Danielem Holzem z University of Chicago zawarli zakład stwierdzając, iż żadna czarna dziura o takiej masie nie zostanie wykryta w pierwszych 100 sygnałach LIGO/Virgo. Do zakładu dołączył później też Woosley. Zakład przyjęło troje innych naukowców. Myślę, że przegramy ten zakład. Ku chwale nauki, mówi Bełczyński.
      W 1967 roku fizycy z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie odkryli, że jeśli umierająca gwiazda ma bardzo masywne jądro, to nie zapadnie się ono w czarną dziurę. Gwiazda taka zmieni się w supernową niestabilności kreacji par (pair-instability supernova).
      Do jej powstania dochodzi, gdy jądro gwiazdy staje się tak gorące, iż światło spontanicznie zamienia się w nim w pary elektron-pozyton. Dotychczas ciśnienie światła zapewniało stabilność jądra. Gdy zaczyna się ono zamieniać w materię ciśnienie to spada, jądro gwałtownie się kurczy, staje się coraz gorętsze, to z kolei przyspiesza produkcję par elektron-pozyton. Powstaje samonapędzający się mechanizm. W końcu temperatura rośnie do tego stopnia, że dochodzi do fuzji tlenu. W jego wyniku implozja zostanie zatrzymana, a rozpoczyna się proces odwrotny. Następuje eksplozja jądra. Jeśli jądro miało masę 65–130 mas Słońca, cała materia zostaje rozrzucona. Po gwieździe pozostaje mgławica. Jądro nie zapada się, nie powstaje czarna dziura.
      Jeśli natomiast jądro, w którym doszło do niestabilności kreacji par miało masę od 50 do 65 mas Słońca, dochodzi do serii eksplozji, które stopniowo wyrzucają materię dopóty, dopóki masa jądra nie spadnie poniżej limitu, w którym niestabilność kreacji par już nie zachodzi. Z tego wynika, że nie powinny istnieć gwiazdowe czarne dziury o masie pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. To bardzo proste obliczenia, mówi Woosley, którego praca z 2002 roku na ten temat jest uważana za ostateczne wyjaśnienie problemu.
      Mogą za to istnieć, i istnieją, czarne dziury o masie większej niż 130 mas Słońca, gdyż implozja tak masywnego jądra nie może zostać zatrzymana, nawet w wyniku fuzji tlenu. Jądro zapada się do czarnej dziury. Jednak, jako że gwiazdy tracą masę przez całe swoje życie, gwiazda, która utworzyłaby jądro o masie ponad 130 mas Słońca musiałaby mieć co najmniej masę 300 mas Słońca. Tak masywne gwiazdy są niezwykle rzadkie. Dlatego też większość ekspertów uznaje, że LIGo/Virgo może wykryć kolizje czarnych dziur o masach nie przekraczających 50 mas Słońca.
      Znamy też supermasywne czarne dziury o masach miliony i miliardy raza większych od masy Słońca, jednak powstają one w inny sposób, a LIGO i Virgo nie są w stanie wykryć ich zderzeń.
      Dlatego tylko niewielu specjalistów uważało, że LIGO i Virgo zauważą kolizje czarnych dziur o masach ponad 50 mas Słońca. Stąd wyzwanie, jakie w formie zakładu rzucili im Bełczyński, Holz i Wooley. Zakład ten przyjęli Carl Rodriguez z MIT, Sourav Chatterjee z Tata Institute for Fundamental Research z Mombasy, do których dołączył później Fred Rasio z Northwestern University. Przegrani mają kupić każdemu z wygranych butelkę wina o wartości 100 USD.
      Rodriguez, Chatterjee i Rasio stwierdzili, że co prawda większość kolizji wykrywanych przez LIGO i Virgo prawdopodobnie ma swój początek w izolowanych układach podwójnych, ale niewielka część z nich może zachodzić w gęstych środowiskach takich jak gromady kuliste. Tam zaś, ich zdaniem, może zdarzyć się tak, że np. czarna dziura o masie 50 mas Słońca najpierw wchłonie czarną dziurę o masie 30 mas Słońca, a później znowu połączy się z jakąś czarną dziurą. LIGO/Virgo może zarejestrować to drugie zdarzenie, zatem zauważy zderzenie czarnych dziur, z których co najmniej jedna będzie miała masę pomiędzy 50 a 130 mas Słońca. Istnieje też jeszcze inna możliwość. Otóż kolizja taka może rozpocząć się również w izolowanym układzie podwójnym. Jeśli jedna z gwiazd układu utworzy czarną dziurę, a układ nadal będzie istniał, to czarna dziura może wchłaniać masę z towarzyszącej jej gwiazdy, rosnąc powyżej „zakazanego” limitu. Później, gdy druga z gwiazd utworzy czarną dziurę, może dojść do kolizji obu czarnych dziur i zarejestrowania tego wydarzenia na Ziemi.
      Krzysztof Baczyński i jego koledzy przegrali więc zakład. Woosley wciąż uważa, że granica „zakazanej masy” istnieje. Jego zdaniem, wśród olbrzymiej liczby czarnych dziur musi istnieć – mimo nielicznych wyjątków – wyraźny spadek liczby czarnych dziur w zakresie masy od 50 do 130 mas Słońca. A te nieliczne istniejące wyjątki to wynik tego, że natura nie znosi próżni.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...