سیاهچاله شارژ شده سیاهچاله ها با بار الکتریکی سیاهچاله ها در کیهان

مفهوم سیاه چاله برای همه شناخته شده است - از دانش آموزان مدرسه تا افراد مسن، در ادبیات علمی و تخیلی، در رسانه های زرد و در کنفرانس های علمی استفاده می شود. اما همه نمی دانند این سوراخ ها دقیقا چیست.

از تاریخچه سیاهچاله ها

1783اولین فرضیه برای وجود چنین پدیده ای به عنوان سیاهچاله در سال 1783 توسط دانشمند انگلیسی جان میشل مطرح شد. در نظریه خود، او دو آفرینش نیوتن - اپتیک و مکانیک را با هم ترکیب کرد. ایده میشل این بود: اگر نور جریانی از ذرات ریز است، پس مانند همه اجسام دیگر، ذرات نیز باید جاذبه میدان گرانشی را تجربه کنند. به نظر می رسد که هر چه جرم ستاره بیشتر باشد، مقاومت نور در برابر جاذبه اش دشوارتر است. 13 سال پس از میشل، لاپلاس اخترشناس و ریاضیدان فرانسوی (به احتمال زیاد مستقل از همتای انگلیسی خود) نظریه مشابهی را ارائه کرد.

1915با این حال، تمام آثار آنها تا آغاز قرن بیستم بی ادعا باقی ماندند. در سال 1915، آلبرت انیشتین نظریه نسبیت عام را منتشر کرد و نشان داد که گرانش انحنای فضا-زمان ناشی از ماده است و چند ماه بعد، کارل شوارتزشیلد، ستاره شناس و فیزیکدان نظری آلمانی، از آن برای حل یک مشکل نجومی خاص استفاده کرد. او ساختار فضا-زمان منحنی اطراف خورشید را کاوش کرد و پدیده سیاهچاله ها را دوباره کشف کرد.

(جان ویلر اصطلاح "سیاه چاله" را ابداع کرد)

1967جان ویلر، فیزیکدان آمریکایی، فضایی را ترسیم کرد که می‌توان آن را مانند یک تکه کاغذ، در نقطه‌ای بی‌نهایت مچاله کرد و اصطلاح «سیاه‌چاله» را نامید.

1974فیزیکدان بریتانیایی استیون هاوکینگ ثابت کرد که سیاهچاله ها، اگرچه مواد را بدون بازگشت می بلعند، اما می توانند تشعشع کنند و در نهایت تبخیر شوند. این پدیده «تابش هاوکینگ» نام دارد.

2013آخرین تحقیقات در مورد تپ اخترها و اختروش ها و همچنین کشف تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی، در نهایت امکان توصیف مفهوم سیاه چاله ها را فراهم کرده است. در سال 2013، ابر گازی G2 بسیار به سیاهچاله نزدیک شد و احتمالاً توسط آن جذب می‌شود، مشاهده این فرآیند منحصربه‌فرد فرصت‌های بزرگی را برای اکتشافات جدید از ویژگی‌های سیاه‌چاله‌ها فراهم می‌کند.

(جرم پرجرم کمان A *، جرم آن 4 میلیون بار بیشتر از خورشید است که به معنای خوشه ای از ستاره ها و تشکیل یک سیاهچاله است.)

2017. گروهی از دانشمندان از همکاری تلسکوپ افق رویداد از چندین کشور، که هشت تلسکوپ را از نقاط مختلف قاره‌های زمین به هم متصل می‌کنند، رصد یک سیاه‌چاله را انجام دادند که یک جرم کلان جرم است و در کهکشان M87، صورت فلکی سنبله قرار دارد. جرم این جرم 6.5 میلیارد (!) خورشید است، که بار غول پیکر بزرگتر از جرم پرجرم کمان A * است، برای مقایسه، قطر کمی کمتر از فاصله خورشید تا پلوتون است.

مشاهدات در چند مرحله از بهار 2017 و در دوره های 2018 انجام شد. مقدار اطلاعات بر حسب پتابایت محاسبه شد که سپس باید رمزگشایی می شد و تصویری واقعی از یک شی بسیار دور بدست می آمد. بنابراین، دو سال کامل دیگر طول کشید تا همه داده ها از قبل اسکن شوند و آنها در یک کل ترکیب شوند.

2019داده ها با موفقیت رمزگشایی و به نمایش درآمدند و اولین تصویر از یک سیاهچاله را تولید کردند.

(اولین تصویر از یک سیاهچاله در کهکشان M87 در صورت فلکی سنبله)

وضوح تصویر به شما امکان می دهد سایه نقطه بدون بازگشت را در مرکز جسم ببینید. تصویر در نتیجه مشاهدات تداخل سنجی با خط پایه بسیار طولانی به دست آمد. اینها به اصطلاح مشاهدات همزمان یک جسم از چندین تلسکوپ رادیویی هستند که توسط یک شبکه به هم متصل شده اند و در نقاط مختلف کره زمین قرار دارند و در یک جهت هدایت می شوند.

به راستی سیاهچاله ها چیست؟

توضیح لاکونیک این پدیده به این صورت است.

سیاهچاله یک منطقه فضا-زمان است که جاذبه گرانشی آن چنان قوی است که هیچ جسمی، از جمله کوانتوم های نوری، نمی تواند از آن خارج شود.

یک سیاهچاله زمانی یک ستاره پرجرم بود. تا زمانی که واکنش های گرما هسته ای فشار بالایی را در روده های آن حفظ کنند، همه چیز عادی می ماند. اما با گذشت زمان، ذخایر انرژی تمام می شود و جرم آسمانی، تحت تأثیر گرانش خود، شروع به کوچک شدن می کند. مرحله نهایی این فرآیند، فروپاشی هسته ستاره و تشکیل سیاهچاله است.

• 1. پرتاب جت سیاه چاله با سرعت بالا


• 2. یک قرص از ماده به سیاهچاله تبدیل می شود


• 3. سیاه چاله


• 4. طرح تفصیلی منطقه سیاهچاله


• 5. اندازه مشاهدات جدید یافت شده

رایج ترین نظریه می گوید که پدیده های مشابهی در هر کهکشانی از جمله در مرکز راه شیری ما وجود دارد. گرانش عظیم این سوراخ قادر است چندین کهکشان را در اطراف خود نگه دارد و از دور شدن آنها از یکدیگر جلوگیری کند. "منطقه پوشش" می تواند متفاوت باشد، همه اینها به جرم ستاره ای بستگی دارد که به سیاهچاله تبدیل شده است و می تواند هزاران سال نوری باشد.

شعاع شوارتزشیلد

خاصیت اصلی سیاهچاله این است که هر ماده ای که وارد آن شود هرگز نمی تواند برگردد. همین امر در مورد نور نیز صدق می کند. در هسته خود، حفره ها اجسامی هستند که تمام نوری را که به آنها می افتد را کاملا جذب می کنند و نور خود را ساطع نمی کنند. چنین اشیایی می توانند از نظر بصری به صورت لخته هایی از تاریکی مطلق ظاهر شوند.

• 1. حرکت مواد با نصف سرعت نور


• 2. حلقه فوتون


• 3. حلقه فوتون داخلی


• 4. افق رویداد در سیاهچاله

بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین، اگر جسمی به فاصله بحرانی از مرکز سوراخ نزدیک شود، دیگر نمی تواند برگردد. این فاصله را شعاع شوارتزشیلد می نامند. اینکه دقیقاً در این شعاع چه اتفاقی می افتد به طور قطع مشخص نیست، اما رایج ترین نظریه وجود دارد. اعتقاد بر این است که تمام ماده یک سیاهچاله در یک نقطه بی نهایت کوچک متمرکز شده است و در مرکز آن جسمی با چگالی بی نهایت وجود دارد که دانشمندان آن را اغتشاش منفرد می نامند.

چگونه در سیاهچاله سقوط می کند

(در تصویر، سیاهچاله قوس A * شبیه یک خوشه نور بسیار درخشان به نظر می رسد)

چندی پیش، در سال 2011، دانشمندان یک ابر گازی را کشف کردند که نام ساده G2 را به آن دادند که نور غیرعادی از خود ساطع می کند. چنین درخششی می تواند باعث ایجاد اصطکاک در گاز و غبار شود که ناشی از عمل سیاهچاله Sagittarius A * است و به شکل یک قرص برافزایشی به دور آن می چرخد. بنابراین، ما به ناظر پدیده شگفت انگیز جذب یک ابر گازی توسط یک سیاهچاله بسیار پرجرم تبدیل می شویم.

بر اساس مطالعات اخیر، نزدیکترین رویکرد به سیاهچاله در مارس 2014 رخ خواهد داد. ما می‌توانیم تصویری از نحوه اجرای این نمایش هیجان‌انگیز را بازسازی کنیم.

• 1. هنگامی که برای اولین بار در داده ها ظاهر می شود، یک ابر گازی شبیه یک توپ بزرگ از گاز و غبار است.


• 2. اکنون، تا ژوئن 2013، این ابر ده ها میلیارد کیلومتر از سیاهچاله فاصله دارد. با سرعت 2500 کیلومتر بر ثانیه داخل آن می افتد.


• 3. انتظار می رود ابر از سیاهچاله عبور کند، اما نیروهای جزر و مدی ناشی از تفاوت جاذبه ای که بر لبه های جلویی و انتهایی ابر اعمال می شود، باعث کشیده شدن بیشتر و بیشتر آن می شود.


• 4. پس از شکسته شدن ابر، به احتمال زیاد بیشتر آن به دیسک برافزایشی اطراف Sagittarius A* می پیوندد و امواج ضربه ای در آن ایجاد می کند. دمای هوا تا چند میلیون درجه افزایش خواهد یافت.


• 5. بخشی از ابر مستقیماً در سیاهچاله می افتد. هیچ کس دقیقاً نمی داند چه اتفاقی برای این ماده خواهد افتاد، اما انتظار می رود که در فرآیند سقوط، جریان های قدرتمندی از اشعه ایکس منتشر کند و هیچ کس دیگری آن را نبیند.

ویدئو: سیاهچاله یک ابر گازی را می بلعد

(شبیه‌سازی رایانه‌ای از اینکه چه مقدار از ابر گازی G2 توسط سیاه‌چاله Sagittarius A* نابود و مصرف می‌شود)

آنچه درون یک سیاهچاله است

نظریه ای وجود دارد که ادعا می کند یک سیاهچاله در داخل عملاً خالی است و تمام جرم آن در یک نقطه فوق العاده کوچک واقع در مرکز آن متمرکز شده است - یک تکینگی.

بر اساس نظریه دیگری که برای نیم قرن وجود دارد، هر چیزی که در سیاهچاله می افتد به جهان دیگری می رود که در خود سیاهچاله قرار دارد. حالا این نظریه اصلی نیست.

و سومین نظریه مدرن و محکمی وجود دارد که بر اساس آن هر چیزی که در سیاهچاله می افتد در ارتعاشات رشته های سطح آن حل می شود که به عنوان افق رویداد تعیین شده است.

پس افق رویداد چیست؟ نگاه کردن به داخل سیاهچاله حتی با یک تلسکوپ فوق قدرتمند غیرممکن است، زیرا حتی نوری که در داخل یک قیف کیهانی غول پیکر قرار می گیرد، فرصتی برای بیرون آمدن ندارد. هر چیزی که می توان به نوعی در نظر گرفت در مجاورت آن قرار دارد.

افق رویداد خط مشروط سطحی است که هیچ چیزی (نه گاز، نه غبار، نه ستاره و نه نور) از زیر آن نمی تواند فرار کند. و این همان نقطه اسرارآمیز بدون بازگشت در سیاهچاله های جهان است.

ایده های موجود در مورد سیاهچاله ها بر اساس قضایای اثبات شده با استفاده از هندسه دیفرانسیل منیفولدها است. ارائه نتایج تئوری در کتاب ها موجود است و در اینجا آنها را تکرار نمی کنیم. با ارجاع خواننده برای جزئیات به تک نگاری ها و مجموعه ها، و همچنین مقالات و بررسی های اصلی، خود را به برشمردن مختصری از مفاد اصلی زیربنای ایده های مدرن در مورد سیاهچاله ها محدود می کنیم.

کلی‌ترین خانواده جواب‌های خلاء معادلات اینشتین، که فضا-زمان‌های مجانبی ثابت را با افق رویداد غیرمفرد و منظم در همه جا خارج از افق توصیف می‌کنند، تقارن محوری دارند و با خانواده کر دو پارامتری منطبق هستند. دو پارامتر مستقل و یک، جرم و تکانه زاویه ای سیاهچاله را مشخص می کنند. قضایای حمایت کننده از این گزاره در آثاری برای یک سیاهچاله غیر چرخنده فرموله شده و به متریک کر در . راه حل های معادلات غیر خلاء انیشتین که سیاهچاله ها را توصیف می کنند را می توان با تعداد زیادی پارامتر مشخص کرد. بنابراین، در مورد سیستم معادلات انیشتین-مکسول، خانواده راه حل های کر-نیومن دارای ویژگی های ذکر شده است که دارای چهار پارامتر است که در آن بارهای الکتریکی، مغناطیسی، منحصر به فرد بودن این خانواده به اثبات رسیده است. راه‌حل‌هایی برای معادلات سیستم انیشتین-یانگ-میلز وجود دارد که سیاهچاله‌های حامل بارهای سنج (رنگی) را توصیف می‌کنند، و همچنین سیستم انیشتین-یانگ-میلز-هیگز با تقارن خود به خود شکسته، توصیف کننده تک قطبی‌های گرانشی نقطه‌ای و دایون‌های پنهان در زیر رویداد. افق در ابرگرانش گسترده، راه حل هایی پیدا شده است که سیاهچاله های بسیار باردار با ساختار فرمیونی را توصیف می کند. ضروری است که همه راه حل های ذکر شده برای میدان هایی با جرم صفر شناخته شوند، که نمی توانند میدان های خارجی عظیم یک سیاهچاله داشته باشند.

میدان کر-نیومن

با به تعویق انداختن بحث راه حل های دارای بارهای مغناطیسی و گیج به § 18، اجازه دهید راه حل کر-نیومن را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم که یک بار الکتریکی دوار را توصیف می کند.

سیاه چاله. در مختصات بویر لیندکویست مربع فاصله فضا-زمان شکل دارد

جایی که نماد استاندارد معرفی شده است

4-پتانسیل (-فرم) میدان الکترومغناطیسی، که توسط رابطه تعریف شده است

for با پتانسیل بار نقطه ای در فضای مینکوفسکی تفاوتی ندارد. یک عبارت اضافی متناسب با a در بی نهایت فضایی با پتانسیل دوقطبی مغناطیسی منطبق است. اجزای غیر صفر تانسور متریک متضاد

برای متریک کر-نیومن، 30 نماد کریستوفل غیر صفر وجود دارد که از این تعداد بیست و دو علامت زوجی برابر هستند.

جایی که نشان داده شده است

نمادهای کریستوفل حتی توابع تفاوت هستند و در صفحه استوایی متریک کر ناپدید نمی شوند. بقیه اجزای اتصال نسبت به انعکاس در صفحه عجیب و غریب هستند، جایی که مقادیر صفر می گیرند. در نظر گرفتن این موضوع هنگام حل معادلات حرکت ذرات مفید است.

اجزای غیر صفر تانسور میدان الکترومغناطیسی برابر است با

که مربوط به برهم نهی میدان کولن و میدان دوقطبی مغناطیسی است.

عنصر خط (1) به مختصات بستگی ندارد، بنابراین بردارها

بردارهایی را می کشند که تغییر در زمان و چرخش حول محور تقارن ایجاد می کنند. بردارهای کشنده و متعامد با یکدیگر نیستند

تقارن میدان الکترومغناطیسی با توجه به تبدیل های داده شده توسط بردارهای Killing در برابری صفر مشتقات Lie از 4 پتانسیل (3) در امتداد میدان های برداری (8) بیان می شود.

بردار زمان در ناحیه محدود شده توسط نابرابری مشابه است

و در سطح ارگوسفر همسانگرد می شود

که بیضی از انقلاب است. در داخل ارگوسفر، بردار فضا مانند است، اما ترکیبی خطی از بردارهای کشتار وجود دارد.

که در صورت نابرابری یک بردار کشتار در داخل ارگوسفر است

سطحی که روی آن ادغام می شوند افق رویداد است، موقعیت آن توسط ریشه بزرگ معادله تعیین می شود

کجا پیدا کنیم کجا

مقدار نقش سرعت زاویه ای چرخش افق را بازی می کند. مطابق با قضیه کلی، به زاویه بستگی ندارد

افق رویداد یک ابر سطح همسانگرد است که بخش فضایی آن توپولوژی یک کره است. مساحت سطح دو بعدی افق با فرمول محاسبه می شود

که منجر به نتیجه می شود

طبق قضیه هاوکینگ، مساحت سطح افق رویداد یک سیاهچاله غوطه ور در یک محیط مادی که تانسور انرژی-ممنتوم آن شرایط تسلط انرژی را برآورده می کند، نمی تواند کاهش یابد. جرم و لحظه چرخش چاله می تواند به طور جداگانه کاهش یابد، در حالی که با از دست دادن کامل گشتاور چرخشی، سیاهچاله دارای جرم حداقل است.

که جرم "تقلیل ناپذیر" سیاهچاله نامیده شده است. قانون عدم کاهش مساحت افق رویداد ماهیت مشترکی با قانون افزایش آنتروپی دارد، می تواند با از دست دادن اطلاعات در مورد وضعیت ماده که در زیر افق رویداد قرار دارد همراه باشد. اگر یک سیاهچاله مقداری نداشت

آنتروپی، سپس جذب مثلاً یک گاز گرم شده در فضای بیرونی منجر به کاهش آنتروپی می شود. استناد به ملاحظات کوانتومی خطر تضاد با قانون دوم ترمودینامیک را از بین می برد، زیرا معلوم می شود که در گرانش کوانتومی، آنتروپی یک سیاهچاله در واقع متناسب با مساحت سطح افق رویداد (21) در واحدهای است. مربع طول پلانک

این همچنین با محاسبات قبلی اثر تولید ذرات در سیاهچاله ها در چارچوب نظریه نیمه کلاسیک مطابقت دارد. آنتروپی کل سیاهچاله و ماده جذب شده در این مورد کاهش نمی یابد، زیرا جرم (و احتمالاً گشتاور دورانی) سیاهچاله در طول جذب افزایش می یابد، در نتیجه مساحت سطح سیاهچاله افزایش می یابد. افق رویداد افزایش می یابد لازم به ذکر است که مخرج در (23) بسیار کوچک است؛ بنابراین، با یک تغییر ماکروسکوپیک در ناحیه افق، آنتروپی سیاهچاله با مقدار بسیار زیادی تغییر می کند.

در افق رویداد، یک ترکیب خطی از اجزای 4 پتانسیل ثابت است که به معنای پتانسیل الکترواستاتیک افق برای ناظری است که با افق می چرخد.

همچنین مقداری به نام "گرانش سطحی" یک سیاهچاله ثابت است، که برابر است با شتاب (بر حسب واحد زمان مختصات) ذره ای که در حالت سکون در افق، به شکلی ثابت مانده است.

که در آن بردار با فرمول (14) تعیین می شود. در (یعنی یک بردار همسانگرد است که روی سطح فوقانی قرار دارد

یکی دیگر از بردارهای همسانگرد نرمال شده توسط شرط برای متریک کر-نیومن، گرانش سطح افق است.

سیاه چاله ها

از اواسط قرن نوزدهم شروع شد. جیمز کلرک ماکسول با توسعه نظریه الکترومغناطیس اطلاعات زیادی در مورد میدان های الکتریکی و مغناطیسی داشت. به ویژه، شگفت آور بود که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی با فاصله دقیقاً به همان روشی که نیروی گرانش کاهش می یابد، کاهش می یابد. هر دو نیروی گرانشی و الکترومغناطیسی نیروهای دوربرد هستند. آنها را می توان در فاصله بسیار زیادی از منابع خود احساس کرد. برعکس، نیروهایی که هسته اتم ها را به یکدیگر متصل می کنند - نیروهای برهمکنش قوی و ضعیف - شعاع عمل کوتاهی دارند. نیروهای هسته ای خود را تنها در یک منطقه بسیار کوچک در اطراف ذرات هسته ای احساس می کنند. دامنه وسیع نیروهای الکترومغناطیسی به این معنی است که با دور بودن از یک سیاهچاله، می توان آزمایش هایی را انجام داد تا مشخص شود که آیا این چاله باردار است یا خیر. اگر یک سیاهچاله دارای بار الکتریکی (مثبت یا منفی) یا بار مغناطیسی (مرتبط با قطب مغناطیسی شمال یا جوان) باشد، ناظری که در دوردست قرار دارد می تواند وجود این بارها را با استفاده از ابزارهای حساس تشخیص دهد. اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970، اخترفیزیکدانان - نظریه پردازان سخت روی این مسئله کار کرده اند: چه خصوصیاتی از سیاهچاله ها ذخیره می شود و چه ویژگی هایی در آنها از بین می رود؟ ویژگی های یک سیاهچاله که می تواند توسط یک ناظر دور اندازه گیری شود، جرم و جرم آن است. بار و تکانه زاویه ای آن این سه مشخصه اصلی در طول تشکیل یک سیاهچاله حفظ می شوند و هندسه فضا-زمان نزدیک آن را تعیین می کنند. به عبارت دیگر، اگر جرم، بار و تکانه زاویه ای یک سیاهچاله را تنظیم کنید، همه چیز در مورد آن از قبل مشخص خواهد شد - سیاهچاله ها هیچ ویژگی دیگری جز جرم، بار و تکانه زاویه ای ندارند. بنابراین سیاهچاله ها اجرام بسیار ساده ای هستند. آنها بسیار ساده تر از ستاره هایی هستند که سیاهچاله ها از آنها بیرون می آیند. G. Reisner و G. Nordström حل معادلات میدان گرانشی انیشتین را کشف کردند که به طور کامل سیاهچاله "باردار" را توصیف می کند. چنین سیاهچاله ای ممکن است بار الکتریکی (مثبت یا منفی) و/یا بار مغناطیسی (مرتبط با قطب مغناطیسی شمال یا جنوب) داشته باشد. اگر اجسام دارای بار الکتریکی رایج هستند، پس اجسام دارای بار مغناطیسی اصلاً نیستند. اجسامی که دارای میدان مغناطیسی هستند (مثلاً یک آهنربای معمولی، یک سوزن قطب نما، زمین) لزوماً دارای هر دو قطب شمال و جنوب هستند. تا همین اواخر، اکثر فیزیکدانان معتقد بودند که قطب های مغناطیسی همیشه فقط به صورت جفت اتفاق می افتند. با این حال، در سال 1975 گروهی از دانشمندان از برکلی و هیوستون اعلام کردند که در یکی از آزمایشات خود یک تک قطبی مغناطیسی کشف کرده اند. اگر این نتایج تأیید شوند، معلوم می شود که بارهای مغناطیسی جداگانه می توانند وجود داشته باشند، یعنی. که قطب مغناطیسی شمال می تواند جدا از جنوب وجود داشته باشد و بالعکس. راه حل Reisner-Nordström امکان وجود یک میدان مغناطیسی تک قطبی در سیاهچاله را فراهم می کند. صرف نظر از اینکه چگونه سیاهچاله بار خود را به دست آورده است، تمام ویژگی های این بار در محلول رایسنر-نوردستروم در یک مشخصه ترکیب می شود - عدد Q. این ویژگی شبیه به این واقعیت است که راه حل شوارتزشیلد به چگونگی سیاهی بستگی ندارد. سوراخ جرم خود را به دست آورد. در این مورد، هندسه فضا-زمان در راه حل رایسنر-نوردستروم به ماهیت بار بستگی ندارد. می تواند مثبت، منفی، مطابق با قطب مغناطیسی شمال یا جنوب باشد - فقط مقدار کامل آن مهم است که می تواند به صورت |Q| نوشته شود. بنابراین، خواص سیاهچاله رایسنر-نوردستروم فقط به دو پارامتر بستگی دارد - جرم کل چاله M و بار کل آن|Q| (به عبارت دیگر از قدر مطلق آن). فیزیکدانان با اندیشیدن به سیاهچاله های واقعی که می توانند در جهان ما وجود داشته باشند، به این نتیجه رسیدند که راه حل رایسنر-نوردستروم خیلی مهم نیست، زیرا نیروهای الکترومغناطیسی بسیار بیشتر از نیروهای گرانش هستند. به عنوان مثال، میدان الکتریکی یک الکترون یا یک پروتون تریلیون ها تریلیون بار قوی تر از میدان گرانشی آنهاست. این بدان معنی است که اگر سیاهچاله دارای بار کافی بزرگ باشد، نیروهای عظیمی که منشا الکترومغناطیسی دارند به سرعت گاز و اتم های شناور در فضا را در همه جهات پراکنده می کنند. در کوتاه ترین زمان ممکن، ذرات با علامت باری مشابه سیاهچاله، دافعه قدرتمندی را تجربه می کنند و ذرات با علامت بار مخالف، جاذبه ای به همان اندازه به سمت آن خواهند داشت. با جذب ذراتی با باری با علامت مخالف، سیاهچاله به زودی از نظر الکتریکی خنثی می شود. بنابراین، می‌توان فرض کرد که سیاه‌چاله‌های واقعی فقط بار کمی دارند. برای سیاهچاله های واقعی، مقدار |Q| باید بسیار کمتر از M باشد. در واقع، از محاسبات نتیجه می‌شود که سیاهچاله‌هایی که واقعاً می‌توانند در فضا وجود داشته باشند، باید جرم M حداقل یک میلیارد میلیارد برابر بیشتر از |Q| داشته باشند.

اکنون به این داستان می پردازیم که چگونه یک سیاهچاله می تواند به عنوان یک ماشین الکتریکی (موتور الکتریکی، دینام و غیره) کار کند.

ابتدا باید با خواص شگفت انگیز مرز سیاهچاله آشنا شویم که با

برنج. 5. خطوط نیروی میدان الکتریکی یک بار در نزدیکی سیاهچاله. نکات مثبت و منفی نشان دهنده بارهای سطحی ساختگی در لبه سیاهچاله است

از دیدگاه یک ناظر خارجی، خود را به عنوان یک "غشاء" نشان می دهد که دارای خواص الکتریکی خاصی است.

برای درک آنچه در اینجا در خطر است، میدان الکتریکی یک بار واقع در نزدیکی یک سیاهچاله بدون بار غیر چرخشی را در نظر بگیرید. همانطور که قبلاً گفتیم، فضای سه بعدی در مجاورت یک سیاهچاله منحنی است و بنابراین خطوط میدان این میدان بسیار غیرعادی به نظر می رسند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 5. این نقاشی، البته، شماتیک است، زیرا غیرممکن است که پیکربندی خطوط را در یک فضای منحنی بر روی یک تکه کاغذ صاف به تصویر بکشید. ما می بینیم که بخشی از خطوط میدان، خم شده، به فضا دور از سیاهچاله می رود. خطوط میدان دیگر در مقابل سیاهچاله قرار دارند.

اگر موضوع به این محدود می شد، این بدان معناست که سیاهچاله شارژ شده است. در واقع، می دانیم که قانون گاوس بیان می کند که تعداد خطوط نیرویی که از یک سطح بسته عبور می کنند، بار کل داخل آن را تعیین می کند. اما سیاهچاله ما به طور کلی باردار نیست. این بدان معنی است که اگر خطوط نیرو وارد سیاهچاله می شود، باید خطوطی از آن خارج شوند. در واقع در شکل می بینیم که خطوط نیروی میدان الکتریکی از سمت مخالف بار از سیاهچاله خارج شده و از سیاهچاله دور می شوند. چنین پیکربندی پیچیده میدان با انحنای شدید فضا همراه است.

خطوط نیرو در شکل 5 به نظر می رسد که سطح سیاهچاله یک کره رسانای الکتریکی است و نزدیک شدن به آن از خارج بار باعث قطبی شدن بارهای آزاد در کره رسانای الکتریکی می شود. اتهاماتی که مخالف هستند

برنج. 6. جریان سطحی ساختگی در مرز سیاهچاله. سیاهچاله به دلیل چرخش، پهن شده است

نشانه نسبت به نزدیک شده، توسط آن جذب شده و در یک طرف کره جمع می شوند. بارهای مشابه علامت نزدیک دفع شده و از طرف مقابل جمع می شوند (شکل 5 را ببینید). چنین قیاسی به ما اجازه می دهد تا به طور مشروط فرض کنیم که بارهای (ساختی) روی سطح یک سیاهچاله وجود دارد که خطوط نیروی میدان الکتریکی خارجی روی آن خاتمه می یابد.

اجازه دهید روند نزدیک شدن بار الکتریکی به سیاهچاله را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم. در طول نزدیک شدن به بار، توزیع بار سطحی ساختگی سیاهچاله تغییر می کند - بارهای علامت مخالف به نقطه ای که مستقیماً در زیر بار نزدیک قرار دارد کشیده می شود. بنابراین، می توانیم فرض کنیم که یک جریان (ساختگی) روی سطح یک سیاهچاله جریان دارد! علاوه بر این، همانطور که توسط یک ناظر دور دیده می شود، می توانیم قدرت این جریان را به قدرت میدان الکتریکی که در امتداد سطح سیاهچاله هنگام نزدیک شدن بار عمل می کند، مرتبط کنیم:

این رابطه شکل قانون شناخته شده اهم را دارد. در اینجا ما با مقاومت سطحی (ساختگی) سیاهچاله نشان داده ایم. بررسی دقیق نشان می دهد که یا در واحدهای معمولی برابر با 377 اهم است.

بنابراین، در نظر گرفتن ساده‌ترین مسائل الکترودینامیکی نشان می‌دهد که سطح سیاه‌چاله مانند غشایی رفتار می‌کند که دارای ویژگی‌های خاصی است.

خواص الکتریکی توجه به مسائل پیچیده تر این دیدگاه را تأیید می کند. به عنوان مثال، اجازه دهید دو جریان از بارهای علامت مخالف به قسمت های مختلف سطح سیاهچاله بریزند (شکل 6)، به طوری که بار کل سیاهچاله تغییر نکند. سپس می‌توانیم فرض کنیم که از جایی که بارهای مثبت A تا جایی که بارهای منفی B سقوط می‌کنند، جریان الکتریکی سطحی جریان می‌یابد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. 6.

باید یک بار دیگر به خواننده یادآوری کنیم که در واقعیت هیچ بار و جریان سطحی (و همچنین خود سطح ماده) برای سیاهچاله وجود ندارد. اگر ناظری در سیاهچاله بیفتد، در هنگام عبور از افق با هیچ سطح مادی، هیچ بار و جریانی مواجه نمی شود. معرفی این مقادیر ساختگی صرفاً یک روش بصری برای نمایش رفتار خطوط میدان یک میدان الکتریکی (و همانطور که خواهیم دید، همچنین مغناطیسی) در نزدیکی مرز سیاهچاله، از دید یک ناظر است. واقع شده "دور از سیاهچاله. چنین نمایشی بسیار راحت، بصری است و به شهود ما که به تجزیه و تحلیل آزمایشات آزمایشگاهی با کره های هدایت عادت کرده است، اجازه می دهد تا کار کند. این به ما امکان می دهد، بدون توسل به ایده ها و محاسبات پیچیده در مورد فضا-زمان چهار بعدی منحنی که نسبیت عام با آن سروکار دارد، رفتار یک سیاهچاله را در شرایط خاص به روشی نسبتاً ساده تصور کنیم.

در آینده، بدون مشخص کردن ساختگی مفاهیم بارهای سطحی و جریان برای سیاهچاله، از نمایش توصیف شده استفاده خواهیم کرد.

اکنون به بررسی این موضوع می پردازیم که چگونه یک سیاهچاله می تواند نقش عناصر مختلف مدار الکتریکی و ماشین های الکتریکی را ایفا کند. این خط تحقیقاتی اکنون به طور فعال توسط کیپ تورن، فیزیکدان آمریکایی و همکارانش در حال توسعه است. البته ما به جزئیات فنی سازه ها نمی پردازیم، بلکه فقط طرح های کلی را ارائه خواهیم کرد.

بار الکتریکی سیاهچاله چقدر است؟ برای سیاهچاله های "عادی" در مقیاس های نجومی این سوال احمقانه و بی معنی است، اما برای سیاهچاله های مینیاتوری کاملاً مرتبط است. فرض کنید یک سیاهچاله مینیاتوری کمی بیشتر از پروتون ها الکترون خورد و بار الکتریکی منفی به دست آورد. چه اتفاقی می افتد وقتی یک سیاهچاله مینیاتوری باردار درون ماده متراکم قرار می گیرد؟

برای شروع، اجازه دهید به طور تقریبی بار الکتریکی یک سیاهچاله را تخمین بزنیم. بیایید ذرات باردار افتادن به درون سیاهچاله را از همان ابتدای پرتاب تیری که منجر به ظهور آن شد، شماره گذاری کنیم و شروع به جمع بندی بارهای الکتریکی آنها کنیم: پروتون - 1+، الکترون -1. این را به عنوان یک فرآیند تصادفی در نظر بگیرید. احتمال دریافت 1+ در هر مرحله 0.5 است، بنابراین ما یک مثال کلاسیک از پیاده روی تصادفی داریم، به عنوان مثال. میانگین بار الکتریکی یک سیاهچاله، که در بارهای اولیه بیان می شود، برابر خواهد بود

Q = sqrt (2N/π)

که در آن N تعداد ذرات باردار جذب شده توسط سیاهچاله است.

بیایید سیاهچاله 14 کیلوتنی مورد علاقه خود را برداریم و محاسبه کنیم که چند ذره باردار خورده است.

N = M/m پروتون = 1.4*10 7 /(1.67*10 -27) = 8.39*10 33
بنابراین q = 7.31 * 10 16 شارژ اولیه = 0.0117 C. کمی به نظر می رسد - چنین شارژی در یک ثانیه از طریق رشته یک لامپ 20 واتی عبور می کند. اما برای بار استاتیک، این مقدار بیمارگونه نیست (گروهی از پروتون ها با چنین بار کلی 0.121 نانوگرم وزن دارند)، و برای بار استاتیک جسمی به اندازه یک ذره بنیادی، این مقدار به سادگی لعنتی است.

بیایید ببینیم وقتی یک سیاهچاله باردار وارد ماده نسبتاً متراکم می شود چه اتفاقی می افتد. برای شروع، ساده ترین مورد را در نظر بگیرید - هیدروژن دو اتمی گازی. فشار اتمسفر و دما دمای اتاق در نظر گرفته می شود.

انرژی یونیزاسیون اتم هیدروژن 1310 کیلوژول بر مول یا 18-10*2.18 در هر اتم است. انرژی پیوند کووالانسی در یک مولکول هیدروژن 432 kJ/mol یا 7.18*10 -19 J در هر مولکول است. فاصله ای که الکترون ها باید از اتم ها دور شوند را 10-10 متر می گیریم، به نظر کافی است. بنابراین، نیروی وارد بر یک جفت الکترون در یک مولکول هیدروژن در طول یونیزاسیون باید برابر با 5.10 * 10 -8 نیوتن باشد. برای یک الکترون - 2.55 * 10 -8 نیوتن.

طبق قانون کولن

R = sqrt(kQq/F)

برای یک سیاهچاله 14 کیلوتنی، R = sqrt (8.99*10 9 *0.0117*1.6*10 -19 /2.55*10 -8) = 2.57 سانتی متر داریم.

الکترون های پاره شده از اتم ها شتاب اولیه حداقل 1.40 * 10 32 m / s 2 (هیدروژن)، یون ها - حداقل 9.68 * 10 14 m / s 2 (اکسیژن) دریافت می کنند. شکی نیست که تمام ذرات بار مورد نیاز خیلی سریع توسط سیاهچاله جذب می شوند. جالب است که محاسبه کنیم ذرات بار مخالف چقدر انرژی زمان خواهند داشت تا به محیط پرتاب کنند، اما شمارش انتگرال ها شکسته می شود:-(من نمی دانم چگونه بدون انتگرال این کار را انجام دهم:-(خیلی، جلوه های بصری متفاوت خواهد بود. از رعد و برق توپ بسیار کوچک تا گلوله آتشین کاملاً مناسب.

با سایر دی الکتریک ها، یک سیاهچاله تقریباً همین کار را انجام می دهد. برای اکسیژن شعاع یونیزاسیون 2.55 سانتی متر، برای نیتروژن 2.32 سانتی متر، برای نئون 2.21 سانتی متر و برای هلیوم 2.07 سانتی متر است. برای کریستال ها، گذردهی در جهات مختلف متفاوت است و ناحیه یونیزاسیون شکل پیچیده ای خواهد داشت. برای الماس، متوسط ​​شعاع یونیزاسیون (بر اساس مقدار جدول ثابت گذردهی) 8.39 میلی متر خواهد بود. مطمئنم تقریباً همه جا در مورد چیزهای کوچک دروغ گفته ام، اما ترتیب بزرگی باید اینگونه باشد.

بنابراین، یک سیاهچاله که وارد یک دی الکتریک شده است، به سرعت بار الکتریکی خود را از دست می دهد، بدون اینکه هیچ اثر خاصی ایجاد کند، به جز تبدیل حجم کمی از دی الکتریک به پلاسما.

اگر به فلز یا پلاسما برخورد کند، یک سیاهچاله باردار ثابت تقریباً بلافاصله بار خود را خنثی می کند.

حال بیایید ببینیم بار الکتریکی یک سیاهچاله چگونه بر اتفاقی که برای سیاهچاله در روده یک ستاره می افتد تأثیر می گذارد. در بخش اول رساله، ویژگی های پلاسما در مرکز خورشید قبلاً ارائه شده است - 150 تن در متر مکعب هیدروژن یونیزه در دمای 15،000،000 کلوین. در حال حاضر، ما با وقاحت هلیوم را نادیده می گیریم. سرعت حرارتی پروتون ها در این شرایط 498 کیلومتر بر ثانیه است، در حالی که الکترون ها با سرعت نسبیتی تقریباً 21300 کیلومتر بر ثانیه پرواز می کنند. گرفتن چنین الکترون سریعی توسط گرانش تقریبا غیرممکن است، بنابراین سیاهچاله به سرعت بار الکتریکی مثبت به دست می آورد تا زمانی که تعادل بین جذب پروتون ها و جذب الکترون ها برقرار شود. ببینیم چه نوع تعادلی خواهد بود.

نیروی گرانشی که از سمت سیاهچاله بر پروتون وارد می شود

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

اولین "الکتروفضا" :-) سرعت برای چنین نیرویی از معادله به دست می آید

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

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

دومین سرعت "الکتروکیهانی" پروتون است

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

بنابراین، شعاع جذب پروتون برابر است

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

به طور مشابه، شعاع جذب الکترون است

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

برای اینکه پروتون ها و الکترون ها با شدت مساوی جذب شوند، این شعاع ها باید برابر باشند، یعنی.

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

توجه داشته باشید که مخرج ها برابر هستند و معادله را کاهش دهید.

GMm p - kQq = GMm e + kQq

با کمال تعجب، هیچ چیز به دمای پلاسما بستگی ندارد. ما تصمیم گرفتیم:

Q \u003d GM (m p - m e) / (kq)

ما اعداد را جایگزین می کنیم و با تعجب Q \u003d 5.42 * 10 -22 C - کمتر از بار الکترون دریافت می کنیم.

ما این Q را با R p = R e جایگزین می کنیم و با شگفتی بیشتر R = 7.80 * 10 -31 - کمتر از شعاع افق رویداد برای سیاهچاله ما به دست می آوریم.

PREVED MEDVED

نتیجه تعادل در صفر است. هر پروتون بلعیده شده توسط سیاهچاله بلافاصله منجر به بلع یک الکترون می شود و بار سیاهچاله دوباره صفر می شود. جایگزین کردن یک پروتون با یک یون سنگین تر اساساً چیزی را تغییر نمی دهد - بار تعادلی سه مرتبه کوچکتر از یون اولیه نیست، بلکه یک خواهد بود، پس چه می شود؟

بنابراین، نتیجه گیری کلی این است که بار الکتریکی یک سیاهچاله تأثیر قابل توجهی بر چیزی ندارد. و خیلی وسوسه انگیز به نظر می رسید...

در قسمت بعدی، اگر نه نویسنده و نه خوانندگان خسته نشوند، یک سیاهچاله مینیاتوری را در دینامیک در نظر خواهیم گرفت - چگونه از روده یک سیاره یا ستاره عبور می کند و ماده را در راه خود می بلعد.