Supermassiva svarta hål är Galaxy Monsters

Det finns ett supermassivt svart hål i mitten av vår galax. Det kan inte ses direkt genom teleskop eller med våra ögon, men astronomer vet att det är där. Det finns faktiskt supermassiva svarta hål i hjärtat av många galaxer. Hur vet astronomer att dessa monster lurar i de galaktiska kärnorna? De använder olika metoder för att studera ljus när det går förbi ett svart hål och de studerar också området runt ett svart hål för att förstå hur det påverkar närliggande moln av gas, damm och till och med stjärnor. För närvarande är det supermassiva svarta hålet i Vintergatan, kallad Skytten A *, ganska tyst, och astronomer övervakar det i många våglängder av ljus för att förstå dess handlingar.

Varför fascinationen med svarta hål?

Svarta hål är en favorit i science fiction-berättelser och media. Ibland används de som en plottapparat för att möjliggöra ett slags interstellärt rese-trick. Eller så får de presenteras i tidsresor eller någon annan viktig del av en berättelse. Så fascinerande som sådana berättelser är, är verkligheten bakom dessa konstiga ögonblickar mer spännande än författare kan föreställa sig. Vad är fakta kring supermassiva svarta hål? Finns det någon vetenskap bakom science fiction-skildringar av supermassiva svarta hål? Låt oss ta reda på.

Vad är supermassiva svarta hål?

Generellt sett är supermassiva svarta hål precis vad deras namn säger: riktigt, riktigt massiva svarta hål. De mäter i hundratusentals solmassor (en solmassa är lika med solens massa) upp till miljarder solmassor. De har enorm kraft och har otroligt inflytande över sina galaxer.

Gravitationsdragning av misstänkt svart hål bildar en frisbee-liknande skiva med sval gas, i kärnan i en galax. Senare Hubble-observationer bekräftade en annan galax verkligheten av monströsa svarta hål gravitationella sinkhål som fångar allt, även ljus. L. Ferrarese (Johns Hopkins University) och NASA

De flesta supermassiva svarta hål finns i galaxernas kärnor. Den centrala platsen gör att de (åtminstone delvis) kan hjälpa till att hålla galaxer ihop. Deras tyngdkraft är så enormt, på grund av deras otroliga massa, att även stjärnor hundratusentals ljusår bort är bundna i omloppsbana runt dem och galaxkärnorna som de bor.

Svarta hål och deras otroliga tätheter

Närhelst astronomer pratar om svarta hål, är huvudegenskapen de använder som skiljer svarta hål från andra "normala" föremål i universum, densitet. Detta är mängden "grejer" packade i volymen på ett svart hål. Densiteten vid kärnorna i svarta hål är så hög att den i princip blir oändlig. Specifikt närmar sig volymen (mängden utrymme ett svart hål och dess dolda massa) noll. Det betyder att det är lite mer än en liten punkt i rymden, men att den lilla pricken, kallad singularitet, innehåller en otrolig mängd massa. Det gör det otroligt tätt. Denna täthet är spridd över hela det svarta hålets region, från singulariteten till händelseshorisonten (som är den punkt där tyngdkraften i det svarta hålet är för stark för att allt ska kunna motstå. 

En modell av ett svart hål omgiven av uppvärmt joniserat) material. Det här kan vara hur det svarta hålet i Vintergatan "ser ut". Brandon DeFrise Carter, CC0, Wikimedia.   

Det låter som om det inre av det svarta hålet (bortom händelseshorisonten) kunde bli otroligt krossat, utan utrymme. Intressant nog finns det ett tankeexperiment som säger att den genomsnittliga tätheten av supermassiva svarta hål faktiskt kan vara mindre än själva luften som andas in. Faktum är att ju större massan är mindre tätt är det supermassiva svarta hålet, om man tar hänsyn till hela volymen i området från singulariteten till händelseshorisonten. Massan skulle distribueras genom den regionen, med mer massa på singulariteten än i "utkanten." 

Om det är sant, skulle det inte bara vara möjligt att närma sig ett supermassivt svart hål, man kan teoretiskt falla i ett supermassivt svart hål och överleva under en god stund tills man kommer nära singulariteten. Men det finns ett stort problem: allvar. Det är så starkt att allt som svängde förbi händelseshorisonten skulle rivas isär av det extrema tyngdkraftsdraget. Så mycket för maskhål resor! 

Hur bildas supermassiva svarta hål?

Bildandet av supermassiva svarta hål är fortfarande ett av mysterierna i astrofysik. Normala svarta hål är de kärnrester som finns kvar från supernovaexplosionen av en massiv stjärna. Ju mer massiv stjärnan, desto mer massiv det svarta hålet som lämnats bakom.

Man kan därför anta att supermassiva svarta hål skapas från kollaps av en supermassiv stjärna. Problemet är att få sådana stjärnor har upptäckts. Dessutom säger fysiken oss att de inte ens bör existera i första hand. Men de gör det. De mest massiva stjärnorna är dussintals till hundra gånger solens massa. Några sällsynta hypergiganter kan vara upp till 300 stjärnmassor. Även dessa monster är långt ifrån de typer av massor som skulle behövas för att skapa ett supermassivt svart hål. För att uttrycka det otydligt: ​​mycket mer massor behövs för att göra ett supermassivt svart hål än vad som finns i även de mest supermassiva stjärnorna. 

Kollisionen mellan två svarta hålhål - en oerhört kraftfull händelse som upptäcktes för första gången någonsin av Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, eller LIGO - ses i detta fortfarande från en datorsimulering. LIGO upptäckte gravitationsvågor eller krusningar i rymden och tiden som genererades när de svarta hålen spiralade in mot varandra, kolliderade och slogs samman. Denna simulering visar hur sammanslagningen skulle se ut för våra ögon om vi på något sätt kunde resa i ett rymdskepp för en närmare titt. Det skapades genom att lösa ekvationer från Albert Einsteins allmänna relativitetsteori med hjälp av LIGO-data. LIGO / CalTech

Så om dessa föremål inte skapas på traditionellt sätt med andra svarta hål, var kommer de svarta hålen från monster härifrån? Den ledande idén är att de bildade så mycket mindre svarta hål för att bygga stora. Så småningom skulle uppbyggnaden av massa leda till skapandet av ett supermassivt svart hål. Det är en hierarkisk teori om att bygga ett supermassivt svart hål. Det finns vissa problem med den teorin eftersom den kräver studie av "mellanliggande massa" supermassiva svarta hål. De skulle vara "i b mellan steg" från mindre svarta hål till de supermassiva monster. Astronomer börjar upptäcka fler av dessa och studera deras speciella egenskaper för att fylla i luckorna i den hierarkiska teorin. 

Svarta hål, Big Bang och sammanslagningar

En annan ledande teori om skapandet av supermassiva svarta hål är att de bildades i de första ögonblicken efter Big Bang. Naturligtvis är inte allt helt förstått om förhållandena under den tiden för att ta reda på hur svarta hål spelade en roll och vad som stimulerade deras bildning. 

Observationer av de kända svarta hålen med supermassiv och mellanmassa antyder att fusionsteorin troligen är den enklaste förklaringen. Undersökning av de äldsta, mest avlägsna och massiva supermassiva svarta hålen, specifikt kvasarer, visar att det finns bevis för att sammanslagningen av många galaxer spelade en roll. När galaxer smälter samman verkar det som deras svarta hål också. Sammanslagningar spelar en roll för att forma de galaxer vi ser idag, och det är därför vettigt att deras centrala svarta hål kan komma med för resan och växa tillsammans med galaxerna. Intressant nog, när dessa svarta hål smälter samman, skickar de ut mycket energi. Handlingen avger också gravitationella vågor, som astronomer just nu kan mäta.

Om sammanslagningar är svaret ger de en partiell lösning på det mellanliggande svarthålsproblemet. I båda fallen är svaret ännu inte klart. Mycket mer arbete måste göras för att observera och karakterisera galaxer och deras svarta hål.

Science in the Science Fiction

Att komma tillbaka till science fiction och svarta hål, det finns egenskaper som helt böjer sinnet som författare har använt. Berättelser om snabbare än lätt resor, interstellar resor och tidsresor genomgår science fiction-romaner. Det finns till och med teorier om att svarta hål är portar till alternativa universum.

Två rymdskepp går in i ett maskhål i det yttre rymden för att komma till ett universum i en annan del av galaxen. Corey Ford / Stocktrek Images

Så finns det några bevis som stöder någon av dessa idéer? Egentligen, ja, även om det bara är under mycket extrema omständigheter. Idén att använda svarta hål som maskhål som på något sätt förbinder oss med den andra sidan av universum har funnits i årtionden. Det är en stor och fantasifant fantasi som antagligen inte kommer att bli verklighet snart.

Möjligheterna har till och med beräknats med hjälp av seriös fysik och generell relativitet. Så teoretiskt sett kunde dessa saker hända, som visades i filmen 2014 Interstellär. Fysikern som arbetade med filmskaparna kom med några teoretiska idéer som stödde filmen och arbetade vetenskapligt. Den teknik som krävs är dock fortfarande inte tillgänglig och en mängd olika villkor måste uppfyllas. Men vem vet - mycket av den teknik som människor använder för flyg idag var också en gång tänkt omöjligt. 

Snabba fakta

• Supermassiva svarta hål finns i hjärtat av många galaxer, inklusive Vintergatan.
• Vissa galaxer, till exempel Andromeda Galaxy, kan ha mer än ett av dessa monster.
• När galaxer slås samman kan deras svarta hål också smälta samman.
• Supermassiva svarta hål kan ha upp till miljarder stjärnmassor dolda inuti.
• Vår egen mjölkväg har ett supermassivt svart hål som heter Skytten A *

källor

• Mohon, Lee. "Supermassiva svarta hål växer ur sina galaxer." NASA, NASA, 15 februari 2018, www.nasa.gov/mission_pages/chandra/news/supermassive-black-holes-are-outgrowing-their-galaxies.html.
• Saplakoglu, Yasemin. "Nollställning på hur supermassiva svarta hål bildades." Scientific American, 29 september 2017, www.scientificamerican.com/article/zeroing-in-on-how-supermassive-black-holes-formed1/.
• “Supermassivt svart hål | KOSMOS." Centrum för astrofysik och superdatorer, astronomy.swin.edu.au/cosmos/s/supermassive black hole.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.