Yüklü kara delik. Elektrik yüklü kara delikler. Evrendeki kara delikler

Kara delik kavramı herkes tarafından bilinir - okul çocuklarından yaşlılara, bilim ve kurgu literatüründe, sarı medyada ve bilimsel konferanslarda kullanılır. Ancak herkes bu deliklerin tam olarak ne olduğunu bilmiyor.

Kara deliklerin tarihinden

1783 Kara delik gibi bir fenomenin varlığına ilişkin ilk hipotez, 1783'te İngiliz bilim adamı John Michell tarafından ortaya atıldı. Teorisinde, Newton'un iki kreasyonunu birleştirdi - optik ve mekanik. Michell'in fikri şuydu: eğer ışık küçük parçacıklardan oluşan bir akımsa, o zaman diğer tüm cisimler gibi parçacıklar da bir yerçekimi alanının çekimini deneyimlemelidir. Yıldız ne kadar büyük olursa, ışığın çekiciliğine direnmesi o kadar zor olur. Michell'den 13 yıl sonra, Fransız gökbilimci ve matematikçi Laplace (büyük olasılıkla İngiliz meslektaşından bağımsız olarak) benzer bir teori öne sürdü.

1915 Ancak, tüm eserleri 20. yüzyılın başına kadar sahipsiz kaldı. 1915'te Albert Einstein, Genel Görelilik Teorisi'ni yayınladı ve yerçekiminin maddenin neden olduğu uzay-zamanın bir eğriliği olduğunu gösterdi ve birkaç ay sonra Alman astronom ve teorik fizikçi Karl Schwarzschild bunu belirli bir astronomik problemi çözmek için kullandı. Güneş etrafındaki kavisli uzay-zamanın yapısını araştırdı ve kara delik fenomenini yeniden keşfetti.

(John Wheeler "kara delikler" terimini icat etti)

1967 Amerikalı fizikçi John Wheeler, bir kağıt parçası gibi buruşturulabilen ve sonsuz küçük bir noktaya dönüştürülebilen bir uzayın ana hatlarını çizdi ve "Kara Delik" terimini belirledi.

1974İngiliz fizikçi Stephen Hawking, kara deliklerin maddeyi geri dönüşü olmadan yutmalarına rağmen radyasyon yayabileceğini ve sonunda buharlaşabileceğini kanıtladı. Bu fenomene "Hawking radyasyonu" denir.

2013 Pulsarlar ve kuasarlar üzerine yapılan son araştırmalar ve ayrıca kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun keşfi, nihayet kara delik kavramını tanımlamayı mümkün kıldı. 2013 yılında, gaz bulutu G2 karadeliğe çok yaklaştı ve karadeliğin tarafından emilmesi muhtemel, benzersiz süreci gözlemlemek, kara deliklerin özelliklerinin yeni keşifleri için büyük fırsatlar sunuyor.

(Büyük nesne Yay A *, kütlesi Güneş'ten 4 milyon kat daha büyüktür, bu da bir yıldız kümesi ve bir kara delik oluşumunu ima eder)

2017. Dünyanın kıtalarının farklı noktalarından sekiz teleskopu birbirine bağlayan birkaç ülkenin Event Horizon Teleskobu işbirliğinden bir grup bilim insanı, M87 galaksisi Başak takımyıldızında bulunan süper kütleli bir nesne olan bir kara deliğin gözlemlerini gerçekleştirdi. Nesnenin kütlesi 6,5 milyar (!) güneş kütlesidir, devasa nesne Yay A *'dan devasa kat daha büyüktür, karşılaştırma için, çap Güneş'ten Plüton'a olan mesafeden biraz daha azdır.

Gözlemler, 2017 baharından başlayarak ve 2018 dönemleri boyunca birkaç aşamada gerçekleştirilmiştir. Bilgi miktarı petabayt cinsinden hesaplandı, daha sonra deşifre edilmesi ve çok uzaktaki bir nesnenin gerçek bir görüntüsü elde edilmesi gerekiyordu. Bu nedenle, tüm verileri önceden taramak ve bunları bir bütün halinde birleştirmek iki tam yıl daha aldı.

2019 Veriler başarılı bir şekilde deşifre edildi ve bir kara deliğin ilk görüntüsü üretilerek görüntülendi.

(Başak takımyıldızındaki M87 galaksisindeki bir kara deliğin ilk görüntüsü)

Görüntü çözünürlüğü, nesnenin merkezinde dönüşü olmayan noktanın gölgesini görmenizi sağlar. Görüntü, ekstra uzun bir taban çizgisi ile interferometrik gözlemlerin bir sonucu olarak elde edildi. Bunlar, bir ağ ile birbirine bağlanan ve dünyanın farklı yerlerinde bulunan, bir yönde yönlendirilen birkaç radyo teleskopundan bir nesnenin sözde eşzamanlı gözlemleridir.

Kara delikler gerçekte nedir?

Bu fenomenin özlü bir açıklaması kulağa şöyle geliyor.

Bir kara delik, yerçekimi çekimi o kadar güçlü olan bir uzay-zaman bölgesidir ki, ışık kuantumları da dahil olmak üzere hiçbir nesne ondan ayrılamaz.

Bir kara delik bir zamanlar büyük bir yıldızdı. Termonükleer reaksiyonlar bağırsaklarında yüksek basıncı koruduğu sürece her şey normal kalır. Ancak zamanla, enerji kaynağı tükenir ve gök cismi kendi yerçekiminin etkisi altında küçülmeye başlar. Bu sürecin son aşaması, yıldız çekirdeğinin çökmesi ve bir kara deliğin oluşmasıdır.

• 1. Bir kara delik jetinin yüksek hızda fırlatılması


• 2. Bir madde diski büyüyerek bir kara deliğe dönüşüyor


• 3. Kara delik


• 4. Kara delik bölgesinin ayrıntılı şeması


• 5. Bulunan yeni gözlemlerin boyutu

En yaygın teori, Samanyolu'muzun merkezi de dahil olmak üzere her galakside benzer fenomenler olduğunu söylüyor. Deliğin devasa yerçekimi, çevresinde birkaç galaksiyi tutabiliyor ve birbirlerinden uzaklaşmalarını engelliyor. "Kapsam alanı" farklı olabilir, hepsi bir kara deliğe dönüşen yıldızın kütlesine bağlıdır ve binlerce ışıkyılı olabilir.

Schwarzschild yarıçapı

Bir kara deliğin temel özelliği, içine giren herhangi bir maddenin asla geri dönememesidir. Aynısı ışık için de geçerlidir. Delikler özünde üzerlerine düşen tüm ışığı tamamen emen ve kendi ışıklarını yaymayan cisimlerdir. Bu tür nesneler görsel olarak mutlak karanlık pıhtıları olarak görünebilir.

• 1. Maddeyi ışık hızının yarısı kadar hızla hareket ettirmek


• 2. Foton halkası


• 3. İç foton halkası


• 4. Bir kara delikte olay ufku

Einstein'ın Genel Görelilik Teorisine dayanarak, bir cisim deliğin merkezinden kritik bir mesafeye yaklaşırsa, artık geri dönemez. Bu mesafeye Schwarzschild yarıçapı denir. Bu yarıçap içinde tam olarak ne olduğu kesin olarak bilinmemektedir, ancak en yaygın teori vardır. Bir kara deliğin tüm maddesinin sonsuz derecede küçük bir noktada toplandığına ve merkezinde bilim adamlarının tekil pertürbasyon dediği sonsuz yoğunluğa sahip bir nesne olduğuna inanılıyor.

kara deliğe nasıl düşer

(Resimde Yay A* kara deliği son derece parlak bir ışık kümesi gibi görünüyor)

Çok uzun zaman önce, 2011'de bilim adamları, olağandışı ışık yayan basit G2 adını veren bir gaz bulutu keşfettiler. Böyle bir parıltı, kara deliğin Yay A * hareketinin neden olduğu ve onun etrafında bir yığılma diski şeklinde dönen gaz ve tozda sürtünme verebilir. Böylece, bir gaz bulutunun süper kütleli bir karadelik tarafından soğurulması gibi şaşırtıcı fenomenin gözlemcisi oluyoruz.

Son araştırmalara göre, bir kara deliğe en yakın yaklaşım Mart 2014'te gerçekleşecek. Bu heyecan verici gösterinin nasıl oynanacağının bir resmini yeniden yaratabiliriz.

• 1. Bir gaz bulutu verilerde ilk göründüğünde büyük bir gaz ve toz topunu andırır.


• 2. Şimdi, Haziran 2013 itibariyle, bulut kara delikten on milyarlarca kilometre uzakta. 2500 km/s hızla içine düşer.


• 3. Bulutun kara deliği geçmesi beklenir, ancak bulutun ön ve arka kenarlarına etki eden çekim farklılığından kaynaklanan gelgit kuvvetleri giderek daha fazla uzamasına neden olacaktır.


• 4. Bulut kırıldıktan sonra, çoğu büyük olasılıkla Yay A* çevresindeki birikim diskine katılarak içinde şok dalgaları oluşturacaktır. Sıcaklık birkaç milyon dereceye yükselecek.


• 5. Bulutun bir kısmı doğrudan kara deliğin içine düşecektir. Bu maddeye tam olarak ne olacağını kimse bilmiyor, ancak düşme sürecinde güçlü X-ışını akışları yayması bekleniyor ve başka hiç kimse onu görmeyecek.

Video: kara delik bir gaz bulutunu yutuyor

(G2 gaz bulutunun ne kadarının Sagittarius A* kara deliği tarafından yok edilip tüketileceğinin bilgisayar simülasyonu)

kara deliğin içinde ne var

İçerideki bir kara deliğin pratik olarak boş olduğunu ve tüm kütlesinin tam merkezinde bulunan inanılmaz derecede küçük bir noktada - bir tekillikte - yoğunlaştığını iddia eden bir teori var.

Yarım asırdır var olan başka bir teoriye göre, karadeliğe düşen her şey, karadeliğin kendisinde bulunan başka bir evrene gider. Şimdi bu teori ana teori değil.

Ve bir kara deliğe düşen her şeyin yüzeyindeki sicimlerin titreşimlerinde çözüldüğü ve olay ufku olarak adlandırılan üçüncü, en modern ve inatçı bir teori var.

Peki olay ufku nedir? Süper güçlü bir teleskopla bile bir kara deliğin içine bakmak imkansızdır, çünkü dev bir kozmik huninin içine giren ışığın bile geri dönme şansı yoktur. Bir şekilde düşünülebilecek her şey yakın çevresindedir.

Olay ufku, altından hiçbir şeyin (ne gaz, ne toz, ne yıldızlar ne de ışık) kaçamayacağı koşullu bir yüzey çizgisidir. Ve bu, Evrenin kara deliklerinde dönüşü olmayan çok gizemli noktadır.

Kara delikler hakkındaki mevcut fikirler, manifoldların diferansiyel geometrisi aracılığıyla kanıtlanan teoremlere dayanmaktadır. Teorinin sonuçlarının sunumu kitaplarda mevcuttur ve onları burada tekrarlamayacağız. Orijinal makaleler ve incelemelerin yanı sıra monograflara ve koleksiyonlara ilişkin ayrıntılar için okuyucuya atıfta bulunarak, kendimizi kara deliklerle ilgili modern fikirlerin altında yatan ana hükümlerin kısa bir sıralamasıyla sınırlandırıyoruz.

Einstein denklemlerinin, tekil olmayan bir olay ufku ve ufkun dışında her yerde düzenli olan durağan asimptotik olarak düz uzay-zamanları tanımlayan en genel vakum çözümleri ailesi, eksenel simetriye sahiptir ve iki parametreli Kerr ailesi ile çakışmaktadır. İki bağımsız parametre ve bir kara deliğin kütlesini ve açısal momentumunu tanımlar. Bu ifadeyi destekleyen teoremler, dönmeyen bir kara delik için yapılan çalışmalarda formüle edildi ve Kerr metriğine genelleştirildi. Einstein'ın kara delikleri tanımlayan vakumsuz denklemlerinin çözümleri çok sayıda parametre ile karakterize edilebilir. Bu nedenle, Einstein-Maxwell denklem sistemi durumunda, Kerr-Newman çözümleri ailesi, elektrik, manyetik yüklerin, bu ailenin benzersizliğinin kanıtlandığı dört parametreye sahip olan listelenen özelliklere sahiptir. Gösterge (renk) yükleri taşıyan kara delikleri tanımlayan Einstein-Yang-Mills denklem sisteminin yanı sıra olayın altında gizlenmiş nokta çekimli monopolleri ve dyonları tanımlayan kendiliğinden kırılan simetriye sahip Einstein-Yang-Mills-Higgs sisteminin çözümleri vardır. ufuk. Genişletilmiş süper yerçekiminde, fermiyonik bir yapıya sahip aşırı yüklü kara delikleri tanımlayan çözümler bulundu. Bir kara deliğin devasa dış alanlarına sahip olamayan sıfır kütleli alanlar için listelenen tüm çözümlerin bilinmesi önemlidir.

Kerr-Newman alanı

Manyetik ve gösterge yüklü çözümlerin tartışmasını § 18'e kadar erteleyerek, dönen elektrik yüklü bir yükü tanımlayan Kerr-Newman çözümünü daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Kara delik. Boyer-Lindqvist koordinatlarında, uzay-zaman aralığının karesi şu şekildedir:

standart gösterimin tanıtıldığı yer

İlişki ile tanımlanan elektromanyetik alanın 4-potansiyel (-formu)

çünkü Minkowski uzayındaki bir nokta yükünün potansiyelinden farklı değildir. a ile orantılı ek bir terim, manyetik dipolün potansiyeli ile uzaysal sonsuzda çakışır.Kontravariant metrik tensörün sıfır olmayan bileşenleri,

Kerr-Newman metriği için, yirmi ikisi ikili olarak eşit olan otuz sıfır olmayan Christoffel sembolü vardır.

belirtildiği yerde

Christoffel sembolleri bile fark fonksiyonlarıdır ve Kerr metriğinin ekvator düzleminde kaybolmazlar. Bağlantı bileşenlerinin geri kalanı, sıfır değerleri aldıkları düzlemdeki yansımaya göre tuhaftır. Parçacık hareketi denklemlerini çözerken bunu akılda tutmakta fayda var.

Elektromanyetik alan tensörünün sıfır olmayan bileşenleri şuna eşittir:

bu, Coulomb alanı ve manyetik dipol alanının süperpozisyonuna karşılık gelir.

Çizgi elemanı (1) koordinatlara bağlı değildir, dolayısıyla vektörler

Simetri ekseni etrafında zaman kaymaları ve dönüşler üreten öldürücü vektörlerdir. Vektörleri öldürmek ve birbirine dik değil

Killing vektörleri tarafından verilen dönüşümlere göre elektromanyetik alanın simetrisi, vektör alanları (8) boyunca 4-potansiyelin (3) Lie türevlerinin sıfıra eşitliği ile ifade edilir,

Zaman vektörü, eşitsizliğin sınırladığı bölgede benzerdir.

ve ergosferin yüzeyinde izotropik hale gelir

ki bu bir devrim elipsoididir. Ergosferin içinde, vektör uzay gibidir, ancak Killing vektörlerinin lineer bir kombinasyonu vardır.

bu, ergosfer içinde zamana benzer bir Öldürme vektörüdür, eğer eşitsizlik

Birleştikleri yüzey olay ufkudur, konumu denklemin büyük kökü tarafından belirlenir.

nerede bulacağız

Değer, ufuk dönüşünün açısal hızının rolünü oynar; genel teoreme göre açıya bağlı değildir

Olay ufku, uzaysal kesiti bir küre topolojisine sahip olan izotropik bir hiperyüzeydir. Ufkun iki boyutlu yüzeyinin alanı formülle hesaplanır.

hangi sonuca yol açar

Hawking teoremine göre, enerji-momentum tensörü enerji baskınlığı koşullarını sağlayan bir madde ortamına daldırılmış bir kara deliğin olay ufkunun yüzey alanı azalamaz. Deliğin kütlesi ve dönme momenti bireysel olarak azalabilirken, dönme momentini tamamen kaybettikten sonra karadeliğin en az bir kütleye sahip olduğu ortaya çıkacaktır.

bir kara deliğin "indirgenemez" kütlesi olarak adlandırılır. Olay ufkunun alanının azalmama yasası, artan entropi yasası ile ortak bir niteliğe sahiptir, olay ufkunun altındaki maddenin durumu hakkında bilgi kaybı ile ilişkilendirilebilir. Bir kara delik olmasaydı

entropi, o zaman, diyelim ki, dış uzayda ısıtılmış bir gazın absorpsiyonu, entropide bir azalmaya yol açacaktır. Kuantum değerlendirmelerini çağırmak, termodinamiğin ikinci yasasıyla bir çelişki tehlikesini ortadan kaldırır, çünkü kuantum yerçekiminde bir kara deliğin entropisinin gerçekten de olay ufkunun (21) birimlerinde olay ufkunun yüzey alanıyla orantılı olduğu ortaya çıkar. Planck uzunluğunun karesi

Bu aynı zamanda yarı-klasik teori çerçevesinde kara deliklerde parçacık üretiminin etkisinin daha önceki hesaplamalarına da tekabül eder. Kara deliğin ve emilen maddenin toplam entropisi, bu durumda azalmaz, çünkü kara deliğin kütlesi (ve muhtemelen dönme momenti) soğurma sırasında artar, bunun sonucunda karadeliğin yüzey alanı olay ufku artar. (23)'teki paydanın son derece küçük olduğuna dikkat edilmelidir; bu nedenle, ufuk alanındaki makroskopik bir değişiklikle, kara delik entropisi çok büyük bir değerde değişir.

Olay ufkunda, 4-potansiyelin bileşenlerinin doğrusal bir kombinasyonu sabittir; bu, ufuk ile dönen bir gözlemci için ufkun elektrostatik potansiyeli anlamına gelir.

Aynı zamanda, bir kara deliğin "yüzey yerçekimi" olarak adlandırılan ve ufukta hareketsiz halde tutulan bir parçacığın ivmesine (koordinat zaman birimleri cinsinden) değişmez bir biçimde eşit olan miktar sabittir.

burada vektör formül (14) ile belirlenir. at (yani, hiper yüzeyde yatan bir izotropik vektördür

Koşulla normalize edilen başka bir izotropik vektör Kerr-Newman metriği için, ufkun yüzey yerçekimi

Kara delikler

XIX yüzyılın ortalarından başlayarak. Elektromanyetizma teorisini geliştiren James Clerk Maxwell, elektrik ve manyetik alanlar hakkında büyük miktarda bilgiye sahipti. Özellikle, elektrik ve manyetik kuvvetlerin, yerçekimi kuvvetiyle tam olarak aynı şekilde mesafe ile azalması şaşırtıcıydı. Hem yerçekimi hem de elektromanyetik kuvvetler uzun menzilli kuvvetlerdir. Kaynaklarından çok uzak bir mesafede hissedilebilirler. Aksine, atom çekirdeklerini birbirine bağlayan kuvvetlerin - güçlü ve zayıf etkileşimlerin kuvvetleri - kısa bir etki yarıçapına sahiptir. Nükleer kuvvetler kendilerini ancak nükleer parçacıkları çevreleyen çok küçük bir alanda hissettirirler. Elektromanyetik kuvvetlerin geniş aralığı, bir kara delikten uzak olduğu için, bu deliğin yüklü olup olmadığını bulmak için deneyler yapılabileceği anlamına gelir. Bir kara deliğin elektrik yükü (pozitif veya negatif) veya manyetik bir yükü (kuzeye veya genç manyetik kutbuna karşılık gelen) varsa, uzaktaki bir gözlemci bu yüklerin varlığını hassas aletler kullanarak tespit edebilir. 1960'ların sonlarında ve 1970'lerin başlarında, astrofizikçiler-teorisyenler sorun üzerinde çok çalıştılar: karadeliklerin hangi özellikleri depolanır ve bunlarda hangi özellikler kaybolur?Uzak bir gözlemci tarafından ölçülebilen bir kara deliğin özellikleri, kütlesi, yükü ve açısal momentumu. Bu üç ana özellik, bir kara deliğin oluşumu sırasında korunur ve yakınındaki uzay-zaman geometrisini belirler. Başka bir deyişle, bir kara deliğin kütlesini, yükünü ve açısal momentumunu ayarlarsanız, o zaman onunla ilgili her şey zaten bilinecektir - kara deliklerin kütle, yük ve açısal momentumdan başka özellikleri yoktur. Yani kara delikler çok basit nesnelerdir; kara deliklerin ortaya çıktığı yıldızlardan çok daha basittirler. G. Reisner ve G. Nordström, Einstein'ın "yüklü" bir kara deliği tamamen tanımlayan kütleçekim alanı denklemlerinin çözümünü keşfetti. Böyle bir kara delik, bir elektrik yüküne (pozitif veya negatif) ve/veya bir manyetik yüke (kuzey veya güney manyetik kutbuna karşılık gelen) sahip olabilir. Elektrik yüklü cisimler sıradansa, manyetik olarak yüklü cisimler hiç değildir. Manyetik alana sahip cisimler (örneğin, sıradan bir mıknatıs, pusula iğnesi, Dünya) aynı anda hem kuzey hem de güney kutuplarına sahiptir. Çok yakın zamana kadar çoğu fizikçi, manyetik kutupların her zaman sadece çiftler halinde oluştuğuna inanıyordu. Bununla birlikte, 1975'te Berkeley ve Houston'dan bir grup bilim adamı, deneylerinden birinde manyetik bir monopol keşfettiklerini açıkladılar. Bu sonuçlar doğrulanırsa, ayrı manyetik yüklerin var olabileceği ortaya çıkacaktır, yani. kuzey manyetik kutbu güneyden ayrı olarak var olabilir ve bunun tersi de geçerlidir. Reisner-Nordström çözümü, bir kara delikte tek kutuplu bir manyetik alanın varlığına izin verir. Kara deliğin yükünü nasıl edindiğine bakılmaksızın, Reisner-Nordström çözümündeki bu yükün tüm özellikleri tek bir karakteristikte birleştirilir - Q sayısı. Bu özellik, Schwarzschild çözümünün karanın nasıl olduğuna bağlı olmaması gerçeğine benzer. delik kütlesini kazanmıştır. Bu durumda, Reisner-Nordström çözümündeki uzay-zaman geometrisi, yükün doğasına bağlı değildir. Pozitif, negatif olabilir, kuzey veya güney manyetik kutbuna karşılık gelir - sadece |Q| olarak yazılabilen tam değeri önemlidir. Dolayısıyla, bir Reisner-Nordström kara deliğinin özellikleri yalnızca iki parametreye bağlıdır - M deliğinin toplam kütlesi ve toplam yükü|Q| (başka bir deyişle, mutlak değerinden). Fizikçiler, Evrenimizde gerçekten var olabilecek gerçek kara delikleri düşünerek, Reisner-Nordström çözümünün çok önemli olmadığı, çünkü elektromanyetik kuvvetlerin yerçekimi kuvvetlerinden çok daha büyük olduğu sonucuna vardılar. Örneğin, bir elektronun veya protonun elektrik alanı, yerçekimi alanından trilyonlarca trilyonlarca kat daha güçlüdür. Bu, kara delik yeterince büyük bir yüke sahip olsaydı, o zaman elektromanyetik kökenli büyük kuvvetlerin, uzayda "yüzen" gaz ve atomları her yöne hızla dağıtacağı anlamına gelir. Mümkün olan en kısa sürede, karadelikle aynı yük işaretine sahip parçacıklar güçlü bir itme yaşayacak ve zıt yük işaretine sahip parçacıklar da aynı derecede güçlü bir çekim yaşayacaktır. Zıt işaretli parçacıkları çekerek, kara delik yakında elektriksel olarak nötr hale gelecektir. Bu nedenle, gerçek kara deliklerin yalnızca küçük bir yüke sahip olduğunu varsayabiliriz. Gerçek kara delikler için |Q| değeri M'den çok daha az olmalıdır. Gerçekten de, uzayda gerçekten var olabilecek kara deliklerin, |Q|'dan en az bir milyar milyar kat daha büyük bir M kütlesine sahip olması gerektiği hesaplamalarından çıkar.

Şimdi bir kara deliğin bir elektrik makinesi (elektrik motoru, dinamo vb.) olarak nasıl çalışabileceğinin hikayesine dönüyoruz.

Her şeyden önce, bir kara deliğin sınırının şaşırtıcı özelliklerini tanımalıyız.

Pirinç. 5. Bir kara deliğin yakınındaki bir yükün elektrik alanının kuvvet çizgileri. Artılar ve eksiler, bir kara deliğin kenarındaki hayali yüzey yüklerini gösterir.

harici bir gözlemcinin bakış açısından, belirli elektriksel özelliklere sahip bir "zar" olarak kendini gösterir.

Burada neyin tehlikede olduğunu anlamak için, dönmeyen yüksüz bir kara deliğin yakınında bulunan bir yükün elektrik alanını düşünün. Daha önce de söylediğimiz gibi, bir kara deliğin çevresindeki üç boyutlu uzay kavislidir ve bu nedenle bu alanın alan çizgileri Şekil 2'de gösterildiği gibi çok sıra dışı görünmektedir. 5. Bu çizim elbette şematiktir, çünkü düz bir kağıt parçası üzerinde eğri bir boşluktaki çizgilerin konfigürasyonunu tasvir etmek imkansızdır. Alan çizgilerinin bükülen kısmının kara delikten uzağa uzaya gittiğini görüyoruz. Diğer alan çizgileri kara deliğe dayanır.

Konu bununla sınırlı olsaydı, bu kara deliğin yüklü olduğu anlamına gelirdi. Aslında, Gauss yasasının, kapalı bir yüzeyi geçen kuvvet çizgilerinin sayısının, içindeki toplam yükü belirlediğini belirttiğini biliyoruz. Ama kara deliğimiz bir bütün olarak yüklü değil; bu, kara deliğe giren kuvvet çizgileri varsa, oradan çıkan çizgiler olması gerektiği anlamına gelir. Nitekim şekil üzerinde elektrik alan kuvvet çizgilerinin karadelikten yükün zıt tarafından çıktığını ve karadelikten uzaklaştığını görüyoruz. Alanın böyle karmaşık bir konfigürasyonu, güçlü bir uzay eğriliği ile ilişkilidir.

Şek. 5 kara deliğin yüzeyi elektriksel olarak iletken bir küre gibi görünüyor ve ona yükün dışından yaklaşmak elektriksel olarak iletken küredeki serbest yüklerin kutuplaşmasına neden oluyor. Zıt olan yükler

Pirinç. 6. Bir kara deliğin sınırındaki hayali yüzey akımı. Kara delik dönme nedeniyle oblate

Yaklaşana kıyasla işaret, onun tarafından çekilir ve kürenin bir tarafında toplanır. Yaklaşan ile aynı işarete sahip yükler itilir ve karşı taraftan toplanır (bkz. Şekil 5). Böyle bir benzetme, bir kara deliğin yüzeyinde, dış elektrik alanının kuvvet çizgilerinin bittiği (hayali) yükler olduğunu koşullu olarak varsaymamızı sağlar.

Bir kara deliğe bir elektrik yüküne yaklaşma sürecini daha ayrıntılı olarak ele alalım. Yüke yaklaşma sırasında, kara deliğin hayali yüzey yükünün dağılımı değişecektir - zıt işaretli yükler, doğrudan yaklaşan yükün altındaki bir noktaya çekilir. Yani, bir kara deliğin yüzeyinde (hayali) bir akımın aktığını varsayabiliriz! Ayrıca, bu akımın gücünü, uzak bir gözlemci tarafından görüldüğü gibi, yük yaklaştığında kara deliğin yüzeyi boyunca hareket eden elektrik alanının gücüyle ilişkilendirebiliriz:

Bu ilişki, iyi bilinen Ohm yasası biçimindedir. Burada kara deliğin (hayali) yüzey direncini gösterdik. Ayrıntılı bir inceleme, veya sıradan birimlerde bunun 377 ohm'a eşit olduğunu gösterir.

Bu nedenle, en basit elektrodinamik problemlerin ele alınması, bir kara deliğin yüzeyinin belirli özelliklere sahip bir zar gibi davrandığını göstermektedir.

elektriksel özellikler. Daha karmaşık problemlerin ele alınması bu bakış açısını doğrular. Örneğin, karadeliğin toplam yükünün değişmemesi için zıt işaretli iki yük akışının kara delik yüzeyinin farklı bölümlerine düşmesine izin verin (Şekil 6). O zaman, A pozitif yüklerinin düştüğü yerden, B negatif yüklerinin düştüğü yere, Şekil 2'de gösterildiği gibi bir yüzey elektrik akımının aktığını varsayabiliriz. 6.

Okuyucuya bir kez daha hatırlatmalıyız ki gerçekte bir kara delik için yüzey yükleri ve akımları (aynı zamanda malzeme yüzeyinin kendisi) yoktur. Eğer bir gözlemci bir kara deliğe düşerse, ufku geçerken herhangi bir maddi yüzey, hiçbir yük, hiçbir akım ile karşılaşmaz. Bu hayali niceliklerin tanıtılması, bir kara deliğin sınırına yakın bir elektrik (ve göreceğimiz gibi, manyetik) alanın alan çizgilerinin davranışını bir gözlemcinin bakış açısından temsil etmenin basit bir görsel yöntemidir. “kara delikten uzakta” ​​bulunur. Böyle bir temsil çok uygundur, görseldir ve iletken kürelerle laboratuvar deneylerinin analizine alışkın olan sezgimizin çalışmasına izin verir. Bu, genel göreliliğin uğraştığı kavisli dört boyutlu uzay-zamanla ilgili karmaşık fikirlere ve hesaplamalara başvurmadan, bir kara deliğin belirli koşullardaki davranışını nispeten basit bir şekilde hayal etmemizi sağlar.

Gelecekte, bir kara delik için yüzey yükleri ve akımları kavramlarının hayaliliğini her seferinde belirtmeden açıklanan temsili kullanacağız.

Şimdi bir kara deliğin bir elektrik devresinin ve elektrik makinelerinin çeşitli elemanlarının rolünü nasıl oynayabileceğine bakalım. Bu araştırma dizisi şu anda Amerikalı fizikçi Kip Thorne ve meslektaşları tarafından aktif olarak geliştirilmektedir. Elbette yapıların teknik detayları üzerinde durmayacağız, sadece genel şemaları sunacağız.

Bir kara deliğin elektrik yükü nedir? Astronomik ölçekteki "normal" kara delikler için bu soru saçma ve anlamsızdır, ancak minyatür kara delikler için oldukça önemlidir. Diyelim ki minyatür bir kara delik, protonlardan biraz daha fazla elektron yedi ve negatif bir elektrik yükü aldı. Yüklü bir minyatür kara delik yoğun maddenin içinde olduğunda ne olur?

Başlangıç ​​olarak, bir kara deliğin elektrik yükünü kabaca tahmin edelim. Kara deliğin ortaya çıkmasına neden olan tiryamampasyonun en başından başlayarak kara deliğe düşen yüklü parçacıkları numaralandıralım ve elektrik yüklerini toplamaya başlayalım: proton - +1, elektron - -1. Bunu rastgele bir süreç olarak düşünün. Her adımda +1 alma olasılığı 0,5'tir, yani klasik bir rastgele yürüyüş örneğimiz var, yani. temel yüklerle ifade edilen bir kara deliğin ortalama elektrik yükü şuna eşit olacaktır:

Q = kare(2N/π)

N, kara delik tarafından emilen yüklü parçacıkların sayısıdır.

En sevdiğimiz 14 kilotonluk kara deliği alalım ve kaç tane yüklü parçacık yediğini hesaplayalım.

N = M/m proton = 1.4*10 7 /(1.67*10 -27) = 8.39*10 33
Dolayısıyla q = 7.31*10 16 temel yük = 0.0117 C. Biraz görünüyor - böyle bir yük, 20 watt'lık bir ampulün filamanından bir saniyede geçiyor. Ancak statik bir yük için, değer hastalıklı değildir (böyle bir toplam yüke sahip bir grup proton 0.121 nanogram ağırlığındadır) ve bir nesnenin statik bir yükü için temel bir parçacık boyutunda, değer sadece lanettir.

Bakalım yüklü bir kara delik nispeten yoğun maddenin içine girdiğinde ne olacak. Başlamak için, en basit durumu düşünün - gaz halindeki iki atomlu hidrojen. Basıncın atmosferik ve sıcaklığın oda sıcaklığı olduğu varsayılacaktır.

Bir hidrojen atomunun iyonlaşma enerjisi atom başına 1310 kJ/mol veya 2.18*10-18'dir. Bir hidrojen molekülündeki kovalent bağ enerjisi, molekül başına 432 kJ/mol veya 7.18*10 -19 J'dir. Elektronların atomlardan uzaklaşması gereken mesafe 10 -10 m olarak alacağız, yeterli görünüyor. Bu nedenle, iyonizasyon sırasında bir hidrojen molekülündeki bir çift elektrona etki eden kuvvet 5.10 * 10 -8 N'ye eşit olmalıdır. Bir elektron için - 2.55 * 10 -8 N.

Coulomb yasasına göre

R = kare(kQq/F)

14 kilotonluk bir kara delik için R = sqrt (8.99*10 9 *0.0117*1.6*10 -19 /2.55*10 -8) = 2.57 cm'ye sahibiz.

Atomlardan kopan elektronlar, en az 1.40 * 10 32 m/s 2 (hidrojen), iyonlar - en az 9.68 * 10 14 m/s 2 (oksijen) başlangıç ​​ivmesi alır. Gerekli yükün tüm parçacıklarının karadelik tarafından çok hızlı bir şekilde emileceğine şüphe yoktur. Zıt yükün ne kadar enerji parçacığının çevreye atmak için zamana sahip olacağını hesaplamak ilginç olurdu, ancak integralleri saymak bozulur :-(Bunu integraller olmadan nasıl yapacağımı bilmiyorum :-(Düzgün, görsel efektler değişecektir) çok küçük top yıldırımından tamamen iyi ateş topuna.

Diğer dielektriklerle bir kara delik aşağı yukarı aynı şeyi yapar. Oksijen için iyonlaşma yarıçapı 2,55 cm, azot için 2,32 cm, neon için 2,21 cm ve helyum için 2,07 cm'dir. Kristaller için geçirgenlik farklı yönlerde farklıdır ve iyonlaşma bölgesi karmaşık bir şekle sahip olacaktır. Elmas için ortalama iyonlaşma yarıçapı (geçirgenlik sabitinin tablo değerine göre) 8,39 mm olacaktır. Hemen hemen her yerde küçük şeyler hakkında yalan söylediğime eminim ama büyüklük sırası böyle olmalı.

Böylece, bir dielektrik içine giren bir kara delik, küçük bir dielektrik hacminin plazmaya dönüştürülmesi dışında, herhangi bir özel efekt üretmeden elektrik yükünü hızla kaybeder.

Bir metale veya plazmaya çarparsa, sabit yüklü bir kara delik, yükünü neredeyse anında nötralize eder.

Şimdi bir kara deliğin elektrik yükünün, bir yıldızın bağırsaklarındaki bir kara deliğe ne olduğunu nasıl etkilediğini görelim. İncelemenin ilk bölümünde, Güneş'in merkezindeki plazmanın özellikleri zaten verildi - 15.000.000 K sıcaklıkta metreküp iyonize hidrojen başına 150 ton. Şimdilik, helyumu yüzsüzce görmezden geliyoruz. Bu koşullar altında protonların termal hızı 498 km/s'dir, elektronlar ise neredeyse göreceli hızlarda – 21.300 km/sn'de uçarlar. Bu kadar hızlı bir elektronu yerçekimi ile yakalamak neredeyse imkansızdır, bu nedenle kara delik, protonların absorpsiyonu ile elektronların absorpsiyonu arasında bir dengeye ulaşılana kadar hızla pozitif bir elektrik yükü kazanacaktır. Bakalım nasıl bir denge olacak.

Kara deliğin yanından protona etki eden yerçekimi kuvveti

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

Böyle bir kuvvet için ilk "elektrouzay" :-) hızı denklemden elde edilir

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

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

Protonun ikinci "elektrokozmik" hızı

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

Bu nedenle, proton absorpsiyon yarıçapı eşittir

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

Benzer şekilde, elektron absorpsiyon yarıçapı

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

Protonların ve elektronların eşit yoğunlukta soğurulması için bu yarıçapların eşit olması gerekir, yani.

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

Paydaların eşit olduğuna dikkat edin ve denklemi azaltın.

GMm p - kQq = GMm e + kQq

Şaşırtıcı bir şekilde, hiçbir şey plazma sıcaklığına bağlı değildir. Karar veriyoruz:

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

Sayıları değiştiriyoruz ve sürprizle Q \u003d 5,42 * 10 -22 C - elektron yükünden daha az alıyoruz.

Bu Q'yu R p = R e ile değiştiririz ve daha da büyük bir sürprizle R = 7.80 * 10 -31 elde ederiz - kara deliğimiz için olay ufkunun yarıçapından daha az.

ÖNLEMLENDİRİLMİŞ

Sonuç sıfırda dengedir. Kara delik tarafından yutulan her proton hemen bir elektronun yutulmasına yol açar ve kara deliğin yükü tekrar sıfır olur. Bir protonu daha ağır bir iyonla değiştirmek temelde hiçbir şeyi değiştirmez - denge yükü, temel olandan üç büyüklük mertebesi daha az değil, bir olacaktır, ne olmuş yani?

Dolayısıyla genel sonuç, bir kara deliğin elektrik yükünün hiçbir şeyi önemli ölçüde etkilemediğidir. Ve o kadar çekici görünüyordu ki...

Bir sonraki bölümde, ne yazar ne de okuyucular sıkılmazsa, dinamiklerdeki minyatür bir kara deliği - bir gezegenin veya yıldızın bağırsaklarından nasıl geçtiğini ve yolunda maddeyi nasıl yuttuğunu ele alacağız.