ثقب أسود مشحون. الثقوب السوداء بشحنة كهربائية. الثقوب السوداء في الكون

مفهوم الثقب الأسود معروف للجميع - من أطفال المدارس إلى كبار السن ، ويستخدم في الأدب العلمي والخيال ، وفي وسائل الإعلام الصفراء وفي المؤتمرات العلمية. لكن لا يعرف الجميع بالضبط ما هي هذه الثقوب.

من تاريخ الثقوب السوداء

1783طرح العالم الإنجليزي جون ميشيل الفرضية الأولى لوجود ظاهرة مثل الثقب الأسود في عام 1783. في نظريته ، جمع بين إبداعي نيوتن - البصريات والميكانيكا. كانت فكرة ميشيل كما يلي: إذا كان الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات الصغيرة ، إذن ، مثل جميع الأجسام الأخرى ، يجب أن تختبر الجسيمات جاذبية مجال الجاذبية. اتضح أنه كلما زاد حجم النجم ، زادت صعوبة مقاومة الضوء لجاذبيته. بعد 13 عامًا من ميشيل ، طرح عالم الفلك وعالم الرياضيات الفرنسي لابلاس (على الأرجح بشكل مستقل عن نظيره البريطاني) نظرية مماثلة.

1915ومع ذلك ، ظلت جميع أعمالهم مجهولة حتى بداية القرن العشرين. في عام 1915 ، نشر ألبرت أينشتاين النظرية العامة للنسبية وأظهر أن الجاذبية هي انحناء للزمكان بسبب المادة ، وبعد بضعة أشهر ، استخدمها عالم الفلك الألماني والفيزيائي النظري كارل شوارزشيلد لحل مشكلة فلكية محددة. استكشف هيكل الزمكان المنحني حول الشمس وأعاد اكتشاف ظاهرة الثقوب السوداء.

(صاغ جون ويلر مصطلح "الثقوب السوداء")

1967حدد الفيزيائي الأمريكي جون ويلر مساحة يمكن تجعيدها ، مثل قطعة من الورق ، إلى نقطة متناهية الصغر وسمَّى مصطلح "الثقب الأسود".

1974أثبت الفيزيائي البريطاني ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء ، على الرغم من أنها تبتلع المادة دون رجوع ، يمكن أن تصدر إشعاعات وتتبخر في النهاية. هذه الظاهرة تسمى "إشعاع هوكينغ".

2013أحدث الأبحاث حول النجوم النابضة والكوازارات ، بالإضافة إلى اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، أتاح أخيرًا وصف مفهوم الثقوب السوداء. في عام 2013 ، اقتربت سحابة الغاز G2 كثيرًا من الثقب الأسود ومن المرجح أن تمتصها ، وتوفر مراقبة العملية الفريدة فرصًا كبيرة لاكتشافات جديدة لميزات الثقوب السوداء.

(جسم ضخم القوس A * ، كتلته أكبر بـ 4 ملايين مرة من الشمس ، مما يدل على وجود مجموعة من النجوم وتشكيل ثقب أسود)

2017. قامت مجموعة من العلماء من Event Horizon Telescope بالتعاون من عدة دول ، بربط ثمانية تلسكوبات من نقاط مختلفة من قارات الأرض ، بأرصاد ثقب أسود ، وهو جسم فائق الكتلة ويقع في مجرة ​​M87 ، كوكبة العذراء. كتلة الجسم هي 6.5 مليار (!) كتلة شمسية ، مرات أكبر من الجسم الهائل القوس A * ، للمقارنة ، القطر أقل بقليل من المسافة من الشمس إلى بلوتو.

تم تنفيذ الملاحظات على عدة مراحل ، ابتداءً من ربيع عام 2017 وخلال فترات عام 2018. تم حساب كمية المعلومات بالبيتابايت ، والتي كان لا بد من فك شفرتها بعد ذلك والحصول على صورة حقيقية لكائن بعيد جدًا. لذلك ، استغرق الأمر عامين كاملين آخرين لإجراء مسح ضوئي مسبق لجميع البيانات ودمجها في كل واحد.

2019تم فك تشفير البيانات وعرضها بنجاح ، مما أدى إلى إنتاج أول صورة على الإطلاق لثقب أسود.

(أول صورة على الإطلاق لثقب أسود في مجرة ​​M87 في كوكبة العذراء)

تسمح لك دقة الصورة برؤية ظل نقطة اللاعودة في وسط الكائن. تم الحصول على الصورة نتيجة ملاحظات قياس التداخل بخط أساس طويل جدًا. هذه هي ما يسمى بالرصدات المتزامنة لجسم واحد من عدة تلسكوبات راديوية ، متصلة ببعضها بشبكة وتقع في أجزاء مختلفة من الكرة الأرضية ، موجهة في اتجاه واحد.

ما هي الثقوب السوداء حقا؟

يبدو التفسير المقتضب للظاهرة هكذا.

الثقب الأسود هو منطقة زمكان يكون جاذبيتها قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي جسم ، بما في ذلك الكميات الخفيفة ، أن يتركها.

كان الثقب الأسود في يوم من الأيام نجمًا ضخمًا. طالما أن التفاعلات النووية الحرارية تحافظ على ضغط مرتفع في أمعائها ، يظل كل شيء طبيعيًا. لكن بمرور الوقت ، ينضب إمداد الطاقة ويبدأ الجسم السماوي ، تحت تأثير جاذبيته ، في الانكماش. المرحلة الأخيرة من هذه العملية هي انهيار النواة وتشكيل ثقب أسود.

• 1. طرد ثقب أسود نفاث بسرعة عالية


• 2. قرص من المادة ينمو في ثقب أسود


• 3. الثقب الأسود


• 4. مخطط تفصيلي لمنطقة الثقب الأسود


• 5. حجم الملاحظات الجديدة التي تم العثور عليها

تقول النظرية الأكثر شيوعًا أن هناك ظواهر مماثلة في كل مجرة ​​، بما في ذلك في مركز مجرتنا درب التبانة. الجاذبية الهائلة للفتحة قادرة على الاحتفاظ بعدة مجرات حولها ، مما يمنعها من الابتعاد عن بعضها البعض. يمكن أن تكون "منطقة التغطية" مختلفة ، كل هذا يتوقف على كتلة النجم الذي تحول إلى ثقب أسود ، ويمكن أن يصل إلى آلاف السنين الضوئية.

نصف قطر شوارزشيلد

الخاصية الرئيسية للثقب الأسود هي أن أي مادة تدخل إليه لا يمكن أن تعود أبدًا. الأمر نفسه ينطبق على الضوء. في جوهرها ، الثقوب عبارة عن أجسام تمتص تمامًا كل الضوء الذي يسقط عليها ولا تنبعث منها بنفسها. يمكن أن تظهر هذه الأشياء بصريًا على شكل جلطات من الظلام المطلق.

• 1. تحريك المادة بنصف سرعة الضوء


• 2. حلقة الفوتون


• 3. حلقة الفوتون الداخلية


• 4. أفق الحدث في الثقب الأسود

استنادًا إلى نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، إذا اقترب الجسم من مسافة حرجة من مركز الثقب ، فلن يعود بإمكانه العودة. تسمى هذه المسافة نصف قطر شفارتزشيلد. ما يحدث بالضبط داخل هذا النطاق غير معروف على وجه اليقين ، ولكن هناك النظرية الأكثر شيوعًا. يُعتقد أن كل مادة الثقب الأسود تتركز في نقطة صغيرة جدًا ، وفي وسطها يوجد جسم بكثافة غير محدودة ، وهو ما يسميه العلماء اضطرابًا منفردًا.

كيف تسقط في الثقب الأسود

(في الصورة ، يبدو الثقب الأسود لـ Sagittarius A * مثل مجموعة ساطعة للغاية من الضوء)

منذ وقت ليس ببعيد ، في عام 2011 ، اكتشف العلماء سحابة غازية ، وأطلق عليها اسمًا بسيطًا G2 ، والتي تصدر ضوءًا غير عادي. يمكن أن يؤدي هذا التوهج إلى حدوث احتكاك في الغاز والغبار ، الناجم عن عمل الثقب الأسود القوس A * والذي يدور حوله في شكل قرص تراكم. وهكذا ، أصبحنا مراقبين للظاهرة المذهلة المتمثلة في امتصاص ثقب أسود هائل لسحابة غازية.

وفقًا للدراسات الحديثة ، سيحدث أقرب نهج للثقب الأسود في مارس 2014. يمكننا إعادة إنشاء صورة لكيفية حدوث هذا المشهد المثير.

• 1. عندما تظهر لأول مرة في البيانات ، تشبه سحابة الغاز كرة ضخمة من الغاز والغبار.


• 2. الآن ، اعتبارًا من يونيو 2013 ، أصبحت السحابة على بعد عشرات المليارات من الكيلومترات من الثقب الأسود. تسقط فيه بسرعة 2500 كم / ثانية.


• 3. من المتوقع أن تمر السحابة بالثقب الأسود ، لكن قوى المد والجزر الناتجة عن الاختلاف في الجذب المؤثر على الحواف الأمامية والخلفية للسحابة ستؤدي إلى استطالة السحابة أكثر فأكثر.


• 4. بعد كسر السحابة ، من المرجح أن ينضم معظمها إلى قرص التراكم حول القوس A * ، مما يولد موجات صدمة فيه. سترتفع درجة الحرارة إلى عدة ملايين من درجات الحرارة.


• 5. جزء من السحابة سوف يسقط مباشرة في الثقب الأسود. لا أحد يعرف بالضبط ما سيحدث لهذه المادة ، لكن من المتوقع أنه أثناء عملية السقوط ستصدر تيارات قوية من الأشعة السينية ، ولن يراها أحد.

فيديو: الثقب الأسود يبتلع سحابة غازية

(محاكاة الكمبيوتر لمقدار سحابة الغاز G2 التي سيتم تدميرها واستهلاكها بواسطة الثقب الأسود Sagittarius A *)

ماذا يوجد داخل الثقب الأسود

هناك نظرية تدعي أن الثقب الأسود بداخله فارغ عمليًا ، وكل كتلته تتركز في نقطة صغيرة جدًا تقع في مركزه - التفرد.

وفقًا لنظرية أخرى كانت موجودة منذ نصف قرن ، فإن كل ما يقع في الثقب الأسود يذهب إلى كون آخر يقع في الثقب الأسود نفسه. الآن هذه النظرية ليست هي النظرية الرئيسية.

وهناك نظرية ثالثة ، أكثر حداثة وثباتًا ، والتي بموجبها يذوب كل شيء يقع في الثقب الأسود في اهتزازات الأوتار على سطحه ، والتي تم تحديدها على أنها أفق الحدث.

إذن ما هو أفق الحدث؟ من المستحيل النظر داخل ثقب أسود حتى باستخدام تلسكوب فائق القوة ، لأنه حتى الضوء ، الذي يدخل داخل قمع كوني عملاق ، ليس لديه فرصة للظهور مرة أخرى. كل ما يمكن اعتباره بطريقة أو بأخرى يقع في محيطه المباشر.

أفق الحدث هو خط مشروط للسطح لا يمكن أن يهرب منه أي شيء (لا غاز ولا غبار ولا نجوم ولا ضوء). وهذه هي النقطة الغامضة للغاية المتمثلة في اللاعودة في الثقوب السوداء للكون.

تستند الأفكار الحالية حول الثقوب السوداء إلى نظريات تم إثباتها عن طريق الهندسة التفاضلية للمشعبات. عرض نتائج النظرية متوفر في كتب ولن نكررها هنا. بإحالة القارئ للحصول على التفاصيل إلى الدراسات والمجموعات ، بالإضافة إلى الأوراق والمراجعات الأصلية ، نقتصر على تعداد موجز للأحكام الرئيسية التي تقوم عليها الأفكار الحديثة حول الثقوب السوداء.

عائلة الحلول الفراغية الأكثر عمومية لمعادلات أينشتاين ، التي تصف أوقات الفراغ الثابتة المقاربة مع أفق الحدث غير الواقي والمنتظم في كل مكان خارج الأفق ، لها تناظر محوري ويتزامن مع عائلة كير ذات المعلمتين. معلمتان مستقلتان وتحددان الكتلة والزخم الزاوي للثقب الأسود. تمت صياغة النظريات التي تدعم هذا البيان في أعمال لثقب أسود غير دوار وتم تعميمها على مقياس كير في. يمكن وصف حلول معادلات أينشتاين غير الفراغية التي تصف الثقوب السوداء بعدد كبير من المعلمات. لذلك ، في حالة نظام المعادلات آينشتاين - ماكسويل ، تمتلك عائلة حلول Kerr-Newman الخصائص المدرجة ، والتي تحتوي على أربعة معلمات حيث تم إثبات تفرد هذه العائلة في الشحنات الكهربائية والمغناطيسية. توجد حلول لنظام المعادلات أينشتاين-يانج ميلز التي تصف الثقوب السوداء التي تحمل شحنة مقياس (اللون) ، بالإضافة إلى نظام أينشتاين-يانج-ميلز-هيجز مع تناظر مكسور تلقائيًا ، يصف نقطة جذب أحاديات القطب والشببان المخبأة تحت الحدث الأفق. في الجاذبية الفائقة الممتدة ، تم العثور على حلول تصف الثقوب السوداء شديدة الشحنة ذات البنية الفرميونية. من الضروري أن تكون جميع الحلول المذكورة معروفة بالحقول ذات الكتلة الصفرية ، والتي لا يمكن أن تحتوي على حقول خارجية ضخمة للثقب الأسود.

حقل كير نيومان

تأجيل مناقشة الحلول مع الشحنات المغناطيسية وشحنات القياس حتى الفقرة 18 ، دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في حل Kerr-Newman الذي يصف الشحنة الكهربائية الدوارة

ثقب أسود. في إحداثيات Boyer-Lindqvist ، يكون لمربع الفاصل الزمني بين الزمكان الشكل

حيث يتم تقديم الترميز القياسي

4-جهد (-شكل) المجال الكهرومغناطيسي المحدد بالعلاقة

لأنه لا يختلف عن إمكانات الشحنة النقطية في فضاء مينكوفسكي. المصطلح الإضافي المتناسب مع a يتزامن في اللانهاية المكانية مع إمكانات ثنائي القطب المغناطيسي. المكونات غير الصفرية للموتر المتري المتري هي

بالنسبة لمقياس Kerr-Newman ، هناك ثلاثون رمز كريستوفيل غير صفري ، منها 22 رمزًا متساويًا.

حيث تمت الإشارة إليه

رموز كريستوفل هي وظائف مختلفة ولا تختفي في المستوى الاستوائي لمقياس كير. تعتبر بقية مكونات الاتصال غريبة فيما يتعلق بالانعكاس في المستوى ، حيث تأخذ قيمًا صفرية. من المفيد وضع ذلك في الاعتبار عند حل معادلات حركة الجسيمات.

المكونات غير الصفرية لموتّر المجال الكهرومغناطيسي تساوي

والذي يتوافق مع تراكب مجال كولوم والحقل المغناطيسي ثنائي القطب.

لا يعتمد عنصر الخط (1) على الإحداثيات ، وبالتالي فإن المتجهات

هي نواقل قتل تولد تحولات في الوقت ودورات حول محور التناظر. نواقل القتل وليست متعامدة مع بعضها البعض

يتم التعبير عن تناظر المجال الكهرومغناطيسي فيما يتعلق بالتحولات التي قدمتها متجهات القتل في المساواة إلى الصفر من مشتقات لي للجهد 4 (3) على طول حقول المتجه (8) ،

متجه الزمن متشابه في المنطقة التي تحدها عدم المساواة

ويصبح خواص الخواص على سطح إيرجوسفير

وهو شكل بيضاوي للثورة. داخل الغلاف الجوي ، يكون المتجه شبيهًا بالفضاء ، ولكن هناك مجموعة خطية من نواقل القتل

وهو متجه قتل شبيه بالزمن داخل ergosphere إذا كانت المتباينة

السطح الذي يندمجون عليه هو أفق الحدث ، ويتم تحديد موضعه من خلال الجذر الكبير للمعادلة

أين نجد أين

تلعب القيمة دور السرعة الزاوية لدوران الأفق ؛ وفقًا للنظرية العامة ، فإنه لا يعتمد على الزاوية

أفق الحدث عبارة عن سطح فائق الخواص يحتوي قسمه المكاني على طوبولوجيا الكرة. يتم حساب مساحة السطح ثنائي الأبعاد للأفق بالصيغة

مما يؤدي إلى النتيجة

وفقًا لنظرية هوكينغ ، لا يمكن أن تنخفض مساحة سطح أفق الحدث لثقب أسود مغمور في وسط مادة يرضي موتر زخم الطاقة شروط هيمنة الطاقة. يمكن أن تنخفض كتلة الثقب ولحظة دورانه بشكل فردي ، بينما بعد أن فقد تمامًا لحظة الدوران ، سيتحول الثقب الأسود إلى كتلة لا تقل عن

والتي كانت تسمى الكتلة "غير القابلة للاختزال" للثقب الأسود. قانون عدم تناقص مساحة أفق الحدث له طبيعة مشتركة مع قانون زيادة الانتروبيا ، ويمكن أن يرتبط بفقدان المعلومات حول حالة المادة الموجودة تحت أفق الحدث. إذا كان الثقب الأسود لا يحتوي على بعض

الإنتروبيا ، فإن امتصاص ، على سبيل المثال ، غاز ساخن في الفضاء الخارجي سيؤدي إلى انخفاض في الإنتروبيا. إن استدعاء الاعتبارات الكمومية يزيل خطر التناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لأنه اتضح أنه في الجاذبية الكمومية ، فإن إنتروبيا الثقب الأسود تتناسب بالفعل مع مساحة سطح أفق الحدث (21) بوحدات من مربع طول بلانك

يتوافق هذا أيضًا مع الحسابات السابقة لتأثير إنتاج الجسيمات في الثقوب السوداء في إطار النظرية شبه الكلاسيكية. لا ينخفض ​​الانتروبيا الكلية للثقب الأسود والمادة الممتصة في هذه الحالة ، نظرًا لأن الكتلة (وربما لحظة الدوران) للثقب الأسود تزداد أثناء الامتصاص ، ونتيجة لذلك تزداد مساحة سطح الثقب الأسود. يزداد أفق الحدث. وتجدر الإشارة إلى أن المقام في (23) صغير للغاية ؛ لذلك ، مع التغيير العياني في منطقة الأفق ، تتغير إنتروبيا الثقب الأسود بقيمة كبيرة جدًا.

في أفق الحدث ، تكون التركيبة الخطية لمكونات 4-الكمون ثابتة ، والتي لها معنى القدرة الكهروستاتيكية في الأفق لمراقب يدور مع الأفق

ثابت أيضًا هو الكمية المسماة "جاذبية السطح" للثقب الأسود ، والتي تساوي التسارع (بوحدات تنسيق الوقت) لجسيم ثابت في الأفق ، في شكل ثابت

حيث يتم تحديد المتجه بالصيغة (14). في (على سبيل المثال ، ناقل خواص يقع على السطح الفائق

متجه آخر متناحي الخواص تم تطبيعه بواسطة الشرط بالنسبة لمقياس Kerr-Newman ، فإن جاذبية سطح الأفق هي

الثقوب السوداء

ابتداء من منتصف القرن التاسع عشر. تطوير نظرية الكهرومغناطيسية ، كان لدى جيمس كلارك ماكسويل كمية كبيرة من المعلومات حول المجالات الكهربائية والمغناطيسية. على وجه الخصوص ، كان من المدهش أن تتناقص القوى الكهربائية والمغناطيسية مع المسافة بنفس الطريقة تمامًا مثل قوة الجاذبية. كل من قوى الجاذبية والقوى الكهرومغناطيسية قوى بعيدة المدى. يمكن الشعور بها على مسافة بعيدة جدًا من مصادرها. على العكس من ذلك ، فإن القوى التي تربط نوى الذرات معًا - قوى التفاعلات القوية والضعيفة - لها نصف قطر قصير من العمل. تجعل القوى النووية نفسها محسوسة فقط في منطقة صغيرة جدًا تحيط بالجسيمات النووية. النطاق الكبير للقوى الكهرومغناطيسية يعني أنه بعيدًا عن الثقب الأسود ، يمكن إجراء تجارب لمعرفة ما إذا كان هذا الثقب مشحونًا أم لا. إذا كان الثقب الأسود يحتوي على شحنة كهربائية (موجبة أو سالبة) أو شحنة مغناطيسية (تتوافق مع القطب الشمالي أو القطب المغناطيسي الشاب) ، فيمكن للمراقب الموجود على مسافة اكتشاف وجود هذه الشحنات باستخدام أدوات حساسة. في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات ، عمل علماء الفيزياء الفلكية والمنظرون بجد لحل المشكلة: ما هي خصائص الثقوب السوداء المخزنة وما هي الخصائص المفقودة فيها؟ الشحنة وزخمها الزاوي. يتم الحفاظ على هذه الخصائص الرئيسية الثلاث أثناء تكوين الثقب الأسود وتحديد هندسة الزمكان بالقرب منه. بعبارة أخرى ، إذا حددت كتلة الثقب الأسود وشحنته وزخمه الزاوي ، فسيكون كل شيء عنه معروفًا بالفعل - فالثقوب السوداء ليس لها خصائص أخرى غير الكتلة والشحنة والزخم الزاوي. لذا فإن الثقوب السوداء هي أجسام بسيطة للغاية. إنها أبسط بكثير من النجوم التي تظهر منها الثقوب السوداء. رايزنر وج. نوردستروم اكتشفوا حل معادلات أينشتاين لحقل الجاذبية ، والذي يصف تمامًا ثقبًا أسود "مشحونًا". قد يكون لهذا الثقب الأسود شحنة كهربائية (موجبة أو سالبة) و / أو شحنة مغناطيسية (تقابل القطب المغناطيسي الشمالي أو الجنوبي). إذا كانت الأجسام المشحونة كهربائيًا شائعة ، فلن تكون الأجسام المشحونة مغناطيسيًا على الإطلاق. الأجسام التي لها مجال مغناطيسي (على سبيل المثال ، مغناطيس عادي ، إبرة بوصلة ، الأرض) لها بالضرورة قطبين شمالي وجنوبي في آنٍ واحد. حتى وقت قريب جدًا ، اعتقد معظم الفيزيائيين أن الأقطاب المغناطيسية تحدث دائمًا فقط في أزواج. ومع ذلك ، في عام 1975 أعلنت مجموعة من العلماء من بيركلي وهيوستن أنهم اكتشفوا أحادي القطب المغناطيسي في إحدى تجاربهم. إذا تم تأكيد هذه النتائج ، فسيظهر أن الشحنات المغناطيسية المنفصلة يمكن أن توجد ، أي أن القطب المغناطيسي الشمالي يمكن أن يوجد بشكل منفصل عن الجنوب والعكس صحيح. يسمح حل Reisner-Nordström بوجود مجال مغناطيسي أحادي القطب في الثقب الأسود. بغض النظر عن كيفية حصول الثقب الأسود على شحنته ، يتم دمج جميع خصائص هذه الشحنة في محلول Reisner-Nordström في خاصية واحدة - الرقم Q. هذه الميزة مشابهة لحقيقة أن حل Schwarzschild لا يعتمد على كيفية وجود اللون الأسود. اكتسب الثقب كتلته. في هذه الحالة ، لا تعتمد هندسة الزمكان في محلول Reisner-Nordström على طبيعة الشحنة. يمكن أن يكون موجبًا أو سالبًا ويتوافق مع القطب المغناطيسي الشمالي أو الجنوبي - فقط قيمته الكاملة مهمة ، والتي يمكن كتابتها كـ | Q |. لذا ، فإن خصائص الثقب الأسود Reisner-Nordström تعتمد فقط على عاملين - الكتلة الكلية للثقب M وشحنتها الإجمالية | Q | (بمعنى آخر ، من قيمته المطلقة). بالتفكير في الثقوب السوداء الحقيقية التي يمكن أن توجد بالفعل في كوننا ، توصل الفيزيائيون إلى استنتاج مفاده أن حل Reisner-Nordström تبين أنه ليس مهمًا للغاية ، لأن القوى الكهرومغناطيسية أكبر بكثير من قوى الجاذبية. على سبيل المثال ، المجال الكهربائي للإلكترون أو البروتون أقوى تريليونات المرات من مجال الجاذبية. هذا يعني أنه إذا كان للثقب الأسود شحنة كبيرة بما فيه الكفاية ، فإن القوى الهائلة ذات الأصل الكهرومغناطيسي ستشتت بسرعة في جميع الاتجاهات الغاز والذرات "العائمة" في الفضاء. في أقصر وقت ممكن ، ستواجه الجسيمات التي تحمل نفس علامة الشحنة مثل الثقب الأسود تنافرًا قويًا ، وستواجه الجسيمات التي تحمل علامة الشحنة المعاكسة انجذابًا قويًا مماثلًا لها. من خلال جذب الجسيمات بشحنة من العلامة المعاكسة ، سيصبح الثقب الأسود قريبًا محايدًا كهربائيًا. لذلك ، يمكننا أن نفترض أن الثقوب السوداء الحقيقية لها شحنة صغيرة فقط. بالنسبة للثقوب السوداء الحقيقية ، فإن قيمة | Q | يجب أن تكون أقل بكثير من M. في الواقع ، يستنتج من الحسابات أن الثقوب السوداء التي يمكن أن توجد بالفعل في الفضاء يجب أن يكون لها كتلة M أكبر من | Q | بمليار مليار مرة على الأقل.

ننتقل الآن إلى قصة كيف يمكن أن يعمل الثقب الأسود كآلة كهربائية (محرك كهربائي ، دينامو ، إلخ).

بادئ ذي بدء ، يجب أن نتعرف على الخصائص المذهلة لحدود الثقب الأسود ، والتي ، مع

أرز. 5. خطوط قوة المجال الكهربائي لشحنة بالقرب من ثقب أسود. تشير الإيجابيات والسلبيات إلى الشحنات السطحية الوهمية على حافة الثقب الأسود

من وجهة نظر مراقب خارجي ، يظهر نفسه على أنه "غشاء" يتمتع بخصائص كهربائية معينة.

لفهم ما هو على المحك هنا ، ضع في اعتبارك المجال الكهربائي لشحنة تقع بالقرب من ثقب أسود غير دوار غير مشحون. كما قلنا سابقًا ، فإن الفضاء ثلاثي الأبعاد الموجود بالقرب من الثقب الأسود منحني ، وبالتالي تبدو خطوط المجال في هذا المجال غير معتادة ، كما هو موضح في الشكل. 5. هذا الرسم ، بالطبع ، تخطيطي ، لأنه من المستحيل تصوير تكوين الخطوط في مساحة منحنية على قطعة مسطحة من الورق. نرى ذلك الجزء من خطوط المجال ، المنحنية ، يذهب إلى الفضاء بعيدًا عن الثقب الأسود. وتستقر خطوط المجال الأخرى على الثقب الأسود.

إذا كانت المسألة مقتصرة على هذا ، فهذا يعني أن الثقب الأسود مشحون. في الواقع ، نحن نعلم أن قانون غاوس ينص على أن عدد خطوط القوة التي تعبر سطحًا مغلقًا تحدد إجمالي الشحنة بداخله. لكن ثقبنا الأسود ككل غير مشحون ؛ هذا يعني أنه إذا كانت هناك خطوط قوة تدخل الثقب الأسود ، فلا بد أن تكون هناك خطوط تخرج منه. في الواقع ، نرى في الشكل أن خطوط قوة المجال الكهربائي تخرج من الثقب الأسود من الجانب المقابل للشحنة وتبتعد عن الثقب الأسود. يرتبط مثل هذا التكوين المعقد للمجال بانحناء قوي للفضاء.

خطوط القوة في الشكل. 5 يبدو كما لو أن سطح الثقب الأسود عبارة عن كرة موصلة للكهرباء والاقتراب منه من الخارج يؤدي إلى استقطاب الشحنات الحرة في الكرة الموصلة للكهرباء. التهم التي لها معاكسة

أرز. 6. تيار سطحي وهمي عند حدود الثقب الأسود. الثقب الأسود مفلطح بسبب الدوران

علامة مقارنة بالواحد المقترب ، تنجذب إليها وتجمع على جانب واحد من الكرة. يتم طرد الشحنات التي تحمل نفس العلامة التي تشير إلى الاقتراب وتجميعها من الجانب الآخر (انظر الشكل 5). يتيح لنا مثل هذا التشبيه الافتراض المشروط بوجود شحنات (وهمية) على سطح الثقب الأسود ، تنتهي عندها خطوط القوة الخاصة بالمجال الكهربائي الخارجي.

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في عملية الاقتراب من الشحنة الكهربائية إلى الثقب الأسود. أثناء الاقتراب من الشحنة ، سيتغير توزيع الشحنة السطحية الوهمية للثقب الأسود - يتم سحب شحنة الإشارة المعاكسة إلى نقطة تقع مباشرة تحت الشحنة المقتربة. لذلك ، يمكننا أن نفترض أن تيارًا (وهميًا) يتدفق على سطح الثقب الأسود! علاوة على ذلك ، يمكننا ربط قوة هذا التيار بقوة المجال الكهربائي الذي يعمل على طول سطح الثقب الأسود عندما تقترب الشحنة ، كما يراه مراقب بعيد:

هذه العلاقة لها شكل قانون أوم المعروف. لقد أشرنا هنا إلى المقاومة السطحية (الوهمية) للثقب الأسود. يظهر الفحص التفصيلي أنه أو في الوحدات العادية يساوي 377 أوم.

لذا ، فإن دراسة أبسط المشكلات الكهروديناميكية تظهر بالفعل أن سطح الثقب الأسود يتصرف مثل غشاء يتمتع ببعض

الخواص الكهربائية. يؤكد النظر في مشاكل أكثر تعقيدًا وجهة النظر هذه. على سبيل المثال ، دع تيارين من الشحنات للعلامة المعاكسة يسقطان في أجزاء مختلفة من سطح الثقب الأسود (الشكل 6) ، بحيث لا تتغير الشحنة الكلية للثقب الأسود. ثم يمكننا أن نفترض أنه من المكان الذي تسقط فيه الشحنات الموجبة A إلى المكان الذي تسقط فيه الشحنات السالبة B ، يتدفق تيار كهربائي سطحي ، كما هو موضح في الشكل. 6.

يجب أن نذكر القارئ مرة أخرى أنه في الواقع لا توجد شحنات وتيارات سطحية (بالإضافة إلى سطح المادة نفسه) للثقب الأسود. إذا وقع أحد المراقبين في ثقب أسود ، فلن يواجه أي سطح مادي ، ولا شحنات ، ولا تيارات عند عبور الأفق. إن إدخال هذه الكميات الوهمية هو ببساطة طريقة بصرية لتمثيل سلوك خطوط المجال لحقل كهربائي (وكما سنرى ، أيضًا مغناطيسي) بالقرب من حدود الثقب الأسود ، من وجهة نظر المراقب يقع "بعيدًا عن الثقب الأسود. مثل هذا التمثيل مناسب جدًا ومرئي ويسمح لحدسنا ، الذي اعتدنا على تحليل التجارب المعملية مع المجالات الموصلة ، بالعمل. يسمح لنا هذا ، دون اللجوء إلى الأفكار والحسابات المعقدة المتعلقة بالزمكان المنحني رباعي الأبعاد الذي تتعامل معه النسبية العامة ، بتخيل سلوك الثقب الأسود في ظروف معينة بطريقة بسيطة نسبيًا.

في المستقبل ، سوف نستخدم التمثيل الموصوف ، دون تحديد كل مرة تخيلية مفاهيم الشحنات السطحية والتيارات للثقب الأسود.

دعونا ننتقل الآن إلى النظر في كيف يمكن للثقب الأسود أن يلعب دور العناصر المختلفة للدائرة الكهربائية والآلات الكهربائية. يتم الآن تطوير هذا النوع من البحث بنشاط من قبل الفيزيائي الأمريكي كيب ثورن وزملائه. بالطبع ، لن نتطرق إلى التفاصيل الفنية للهياكل ، لكننا سنقدم فقط المخططات العامة.

ما هي الشحنة الكهربية للثقب الأسود؟ بالنسبة للثقوب السوداء "العادية" ذات المقاييس الفلكية ، فإن هذا السؤال سخيف ولا معنى له ، لكنه مناسب تمامًا للثقوب السوداء المصغرة. لنفترض أن ثقبًا أسودًا مصغرًا أكل عددًا من الإلكترونات أكثر بقليل من البروتونات واكتسب شحنة كهربائية سالبة. ماذا يحدث عندما يكون ثقب أسود مصغر مشحون داخل مادة كثيفة؟

بادئ ذي بدء ، دعونا نقدر الشحنة الكهربية للثقب الأسود تقريبًا. دعنا نرقم الجسيمات المشحونة التي تسقط في الثقب الأسود بدءًا من بداية التضاؤل ​​التدريجي الذي أدى إلى ظهوره ، ونبدأ في تلخيص شحناتها الكهربائية: البروتون - +1 ، الإلكترون - -1. اعتبر هذا كعملية عشوائية. احتمال الحصول على +1 في كل خطوة هو 0.5 ، لذلك لدينا مثال كلاسيكي للمشي العشوائي ، أي متوسط ​​الشحنة الكهربائية للثقب الأسود ، معبرًا عنه في الشحنات الأولية ، سيكون مساويًا لـ

س = الجذر التربيعي (2N /)

حيث N هو عدد الجسيمات المشحونة التي يمتصها الثقب الأسود.

لنأخذ الثقب الأسود المفضل لدينا البالغ 14 كيلوطن ونحسب عدد الجسيمات المشحونة التي أكلها.

N = M / m بروتون = 1.4 * 10 7 / (1.67 * 10 -27) = 8.39 * 10 33
ومن ثم ف = 7.31 * 10 16 رسوم أولية = 0.0117 درجة مئوية. قد يبدو قليلاً - مثل هذه الشحنة تمر في ثانية عبر خيوط مصباح كهربائي بقوة 20 واط. لكن بالنسبة لشحنة ثابتة ، فإن القيمة ليست مرضية (تزن مجموعة من البروتونات بمثل هذه الشحنة الإجمالية 0.121 نانوغرام) ، وبالنسبة لشحنة ثابتة لجسم بحجم جسيم أولي ، فإن القيمة هي ببساطة مضللة.

دعونا نرى ما يحدث عندما يدخل ثقب أسود مشحون داخل مادة كثيفة نسبيًا. بادئ ذي بدء ، فكر في أبسط حالة - الهيدروجين ثنائي الذرة الغازي. يُفترض أن يكون الضغط جويًا ، وأن تكون درجة الحرارة هي درجة حرارة الغرفة.

طاقة التأين لذرة الهيدروجين هي 1310 كيلو جول / مول أو 2.18 * 10-18 لكل ذرة. تبلغ طاقة الرابطة التساهمية في جزيء الهيدروجين 432 كيلو جول / مول أو 7.18 * 10-19 جول لكل جزيء. المسافة التي يجب سحب الإلكترونات إليها بعيدًا عن الذرات ، سنأخذها من 10 إلى 10 أمتار ، يبدو أنها كافية. وبالتالي ، يجب أن تكون القوة المؤثرة على زوج من الإلكترونات في جزيء الهيدروجين أثناء التأين مساوية لـ 5.10 * 10 -8 N لإلكترون واحد - 2.55 * 10 -8 نيوتن.

وفقًا لقانون كولوم

R = الجذر التربيعي (kQq / F)

لثقب أسود 14 كيلوطن لدينا R = sqrt (8.99 * 10 9 * 0.0117 * 1.6 * 10-19 / 2.55 * 10 -8) = 2.57 سم.

تتلقى الإلكترونات الممزقة من الذرات تسارعًا أوليًا لا يقل عن 1.40 * 10 32 م / ث 2 (هيدروجين) ، أيونات - على الأقل 9.68 * 10 14 م / ث 2 (أكسجين). ليس هناك شك في أن الثقب الأسود سوف يمتص كل جزيئات الشحنة المطلوبة بسرعة كبيرة. سيكون من المثير للاهتمام حساب مقدار طاقة جسيمات الشحنة المعاكسة التي سيكون لديها الوقت لإلقاءها في البيئة ، ولكن حساب فواصل التكاملات :- (لا أعرف كيفية القيام بذلك بدون تكاملات :- (مرتجلاً ، ستختلف التأثيرات المرئية من كرة صغيرة جدًا إلى كرة نارية لائقة تمامًا.

مع عوازل كهربائية أخرى ، يقوم الثقب الأسود بنفس الشيء. بالنسبة للأكسجين يبلغ نصف قطر التأين 2.55 سم وللنيتروجين 2.32 سم وللنيون 2.21 سم وللهيليوم 2.07 سم. بالنسبة للبلورات ، تختلف السماحية في اتجاهات مختلفة ، وسيكون لمنطقة التأين شكل معقد. بالنسبة للماس ، سيكون متوسط ​​نصف قطر التأين (بناءً على قيمة الجدول لثابت السماحية) 8.39 مم. أنا متأكد من أنني كذبت بشأن الأشياء الصغيرة في كل مكان تقريبًا ، لكن ترتيب الحجم يجب أن يكون هكذا.

لذلك ، الثقب الأسود ، بعد أن دخل إلى مادة عازلة ، يفقد شحنته الكهربائية بسرعة ، دون إحداث أي تأثيرات خاصة ، باستثناء تحويل حجم صغير من العازل إلى بلازما.

إذا اصطدم بمعدن أو بلازما ، فإن الثقب الأسود المشحون الثابت يحيد شحنته على الفور تقريبًا.

الآن دعونا نرى كيف تؤثر الشحنة الكهربائية للثقب الأسود على ما يحدث للثقب الأسود في أحشاء النجم. في الجزء الأول من الرسالة ، تم بالفعل إعطاء خصائص البلازما في مركز الشمس - 150 طنًا لكل متر مكعب من الهيدروجين المتأين عند درجة حرارة 15.000.000 كلفن في الوقت الحالي ، نتجاهل بوقاحة الهيليوم. تبلغ السرعة الحرارية للبروتونات في ظل هذه الظروف 498 كم / ث ، بينما تطير الإلكترونات بسرعات نسبية تقريبًا - 21300 كم / ث. يكاد يكون من المستحيل التقاط مثل هذا الإلكترون السريع عن طريق الجاذبية ، لذلك سيكتسب الثقب الأسود بسرعة شحنة كهربائية موجبة حتى يتم الوصول إلى التوازن بين امتصاص البروتونات وامتصاص الإلكترونات. دعونا نرى أي نوع من التوازن سيكون.

تؤثر قوة الجاذبية على البروتون من جانب الثقب الأسود

F p \ u003d (GMm p - kQq) / R 2

يتم الحصول على السرعة الأولى "الفراغ الكهربائي" :-) لمثل هذه القوة من المعادلة

mv 1 2 / R = (GMm p - kQq) / R 2

v n1 = sqrt ((GMm n - kQq) / mR)

السرعة الكهروميكانيكية الثانية للبروتون هي

v n2 = sqrt (2) v 1 = sqrt (2 (GMm n - kQq) / (m n R))

وبالتالي ، فإن نصف قطر امتصاص البروتون يساوي

R p = 2 (GMm p - kQq) / (m p v p 2)

وبالمثل ، فإن نصف قطر امتصاص الإلكترون هو

R e \ u003d 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)

لكي يتم امتصاص البروتونات والإلكترونات بكثافة متساوية ، يجب أن تكون أنصاف الأقطار هذه متساوية ، أي

2 (GMm p - kQq) / (m p v p 2) = 2 (GMm e + kQq) / (m e v e 2)

لاحظ أن المقامات متساوية ، واختزل المعادلة.

GMm p - kQq = GMm e + kQq

من المدهش أن لا شيء يعتمد على درجة حرارة البلازما. نحن نقرر:

Q \ u003d GM (m · p - · m · e) / (kq)

نستبدل الأرقام وبالمفاجأة نحصل على Q \ u003d 5.42 * 10 -22 C - أقل من شحنة الإلكترون.

نستبدل Q في R p = R e ومع مفاجأة أكبر نحصل على R = 7.80 * 10 -31 - أقل من نصف قطر أفق الحدث لثقبنا الأسود.

بريفيد ميدفيد

الاستنتاج هو التوازن عند الصفر. يؤدي كل بروتون يبتلعه الثقب الأسود على الفور إلى ابتلاع إلكترون وتصبح شحنة الثقب الأسود صفراً مرة أخرى. إن استبدال بروتون بأيون أثقل لا يغير شيئًا جوهريًا - شحنة التوازن لن تقل بثلاث مرات عن الشحنة الأولية ، بل واحدة ، فماذا في ذلك؟

لذا ، فإن الاستنتاج العام هو أن الشحنة الكهربائية للثقب الأسود لا تؤثر بشكل كبير على أي شيء. وبدا الأمر مغريًا جدًا ...

في الجزء التالي ، إذا لم يشعر المؤلف ولا القراء بالملل ، فسننظر في وجود ثقب أسود مصغر في الديناميكيات - كيف يندفع عبر أحشاء كوكب أو نجم ويلتهم المادة في طريقه.