ماذا حدث الثقب الأسود؟ لماذا سمي باللون الأسود؟ ماذا يحدث في النجوم؟ كيف يرتبط النجم النيوتروني بالثقب الأسود؟ هل مصادم الهادرونات الكبير قادر على خلق ثقوب سوداء، وماذا يعني ذلك بالنسبة لنا؟
ماذا حدث نجمة؟؟؟؟ إذا كنت لا تعرف ذلك بعد، فشمسنا هي أيضًا نجم. هذا كائن أحجام كبيرةقادر على إصدار موجات كهرومغناطيسية باستخدام الاندماج النووي الحراري (وهذا ليس التعريف الأكثر دقة). إذا لم يكن الأمر واضحًا، فيمكننا أن نقول هذا: النجم موجود كائن كبيرشكل كروي، داخلها، باستخدام التفاعلات النوويةيتم توليد كمية كبيرة جدًا جدًا من الطاقة، ويستخدم جزء منها لإصدار الضوء المرئي. بالإضافة إلى الضوء العادي، تنبعث الحرارة أيضًا ( الأشعة تحت الحمراء)، وموجات الراديو، والأشعة فوق البنفسجية، وما إلى ذلك.
تحدث التفاعلات النووية في أي نجم بنفس الطريقة التي تحدث بها محطات الطاقة النووية، مع وجود اختلافين رئيسيين فقط.
1. تحدث تفاعلات الاندماج النووي في النجوم، أي اتحاد النوى، وفي محطات الطاقة النووية – الاضمحلال النووي. في الحالة الأولى، يتم إطلاق طاقة أكثر بثلاث مرات، وبتكلفة أقل بآلاف المرات، حيث أن الهيدروجين فقط هو المطلوب، وهو غير مكلف نسبيًا. أيضًا، في الحالة الأولى، لا توجد نفايات ضارة: يتم إطلاق الهيليوم غير الضار فقط. والآن تتساءل بالطبع لماذا لا تستخدم مثل هذه التفاعلات في محطات الطاقة النووية؟ لأنه لا يمكن السيطرة عليه ويؤدي إليه بسهولة انفجار نوويويتطلب هذا التفاعل درجة حرارة تبلغ عدة ملايين من الدرجات. للرجل الاندماج النوويهي المهمة الأهم والأصعب (لم يتوصل أحد بعد إلى طريقة للتحكم في الاندماج النووي الحراري)، نظرا لنفاد مصادر الطاقة لدينا.
2. في النجوم، هناك كمية أكبر من المادة المشاركة في التفاعلات مقارنة بمحطات الطاقة النووية، وبطبيعة الحال، هناك قدر أكبر من الطاقة الناتجة هناك.
الآن عن تطور النجوم. كل نجم يولد، ينمو، يشيخ، ويموت (ينطفئ). بناءً على أسلوبها التطوري، تنقسم النجوم إلى ثلاث فئات حسب كتلتها.
الفئة الأولى – النجوم التي كتلتها أقل من 1.4* كتلة الشمس. في مثل هذه النجوم، يتحول كل "الوقود" ببطء إلى معدن، لأنه بسبب اندماج (مجموعة) النوى، تظهر المزيد والمزيد من العناصر "متعددة النوى" (الثقيلة)، وهي معادن. صحيح أن المرحلة الأخيرة من تطور مثل هذه النجوم لم يتم تسجيلها (من الصعب اكتشاف الكرات المعدنية)، فهذه مجرد نظرية.
الفئة الثانية –
نجوم كتلتها تتجاوز كتلة نجوم الفئة الأولى، ولكنها أقل من ثلاث كتل شمسية. تفقد مثل هذه النجوم توازنها نتيجة للتطور القوى الداخليةالجذب والتنافر. ونتيجة لذلك، يتم طرح غلافها الخارجي في الفضاء، ويبدأ الغلاف الداخلي (من قانون الحفاظ على الزخم) في الانكماش "بشكل شديد". يتكون نجم نيوتروني. ويتكون بالكامل تقريبًا من نيوترونات، أي من جسيمات لا تحتوي عليها الشحنة الكهربائية. الشيء الأكثر روعة حول النجم النيوتروني –
هذه هي كثافته، لأنه لكي يتحول إلى نيوترون، يحتاج النجم إلى الضغط في كرة يبلغ قطرها حوالي 300 كيلومتر فقط، وهذا صغير جدًا. لذا فإن كثافته عالية جدًا - حوالي عشرات التريليونات من الكيلوجرامات في الواحد متر مكعبوهي أكبر بمليارات المرات من كثافة المواد الأكثر كثافة على الأرض. ومن أين أتت هذه الكثافة؟ والحقيقة هي أن جميع المواد الموجودة على الأرض تتكون من ذرات، والتي بدورها تتكون من نوى. يمكن تخيل كل ذرة على أنها كرة فارغة كبيرة (فارغة تمامًا)، يوجد في وسطها نواة صغيرة. تحتوي النواة على كتلة الذرة بأكملها (إلى جانب النواة، تحتوي الذرة على إلكترونات فقط، لكن كتلتها صغيرة جدًا). قطر النواة أصغر 1000 مرة من قطر الذرة. وهذا يعني أن حجم النواة هو 1000*1000*1000 = 1 مليار مرة أصغر من الذرة. ومن ثم فإن الكثافة الأساسية تبلغ مليارات المرات المزيد من الكثافةذرة. ماذا يحدث في النجم النيوتروني؟ تتوقف الذرات عن الوجود كشكل من أشكال المادة، ويتم استبدالها بالنوى. ولهذا السبب فإن كثافة هذه النجوم أكبر بمليارات المرات من كثافة المواد الأرضية.
نعلم جميعًا أن الأجسام الثقيلة (الكواكب والنجوم) تجذب بقوة كل شيء من حولها. ويتم اكتشاف النجوم النيوترونية بهذه الطريقة. إنهم يشوهون مدارات الآخرين بشكل كبير النجوم المرئية، يقع في مكان قريب.
الفئة الثالثة من النجوم – النجوم التي تزيد كتلتها عن ثلاثة أضعاف كتلة الشمس. مثل هذه النجوم، بعد أن أصبحت نيوترونية، تنضغط أكثر وتتحول إلى ثقوب سوداء. كثافتها أكبر بعشرات الآلاف من المرات من كثافة النجوم النيوترونية. ونظرًا لوجود مثل هذه الكثافة الهائلة، يكتسب الثقب الأسود القدرة على ذلك جاذبية قوية(القدرة على جذب الأجسام المحيطة). مع هذه الجاذبية، لا يسمح لك النجم بترك حدوده حتى موجات كهرومغناطيسية، وبالتالي الضوء. أي أن الثقب الأسود لا ينبعث منه ضوء. عدم وجود أي ضوء – إنه الظلام، لهذا السبب الثقب الأسودويسمى الأسود. لونه أسود دائمًا ولا يمكن رؤيته بأي تلسكوب. يعلم الجميع أنه بسبب جاذبيتها، فإن الثقوب السوداء قادرة على امتصاص جميع الأجسام المحيطة بها. صوت عالي. هذا هو السبب في أن الناس يشعرون بالقلق من إطلاق مصادم الهادرونات الكبير، والذي، وفقا للعلماء، من الممكن ظهور ثقوب سوداء دقيقة. ومع ذلك، فإن هذه الثقوب الدقيقة تختلف كثيرًا عن الثقوب العادية: فهي غير مستقرة لأن عمرها قصير جدًا، ولم يتم إثباتها عمليًا. علاوة على ذلك، يزعم العلماء أن هذه الثقوب الدقيقة لها طبيعة مختلفة تمامًا مقارنة بالثقوب السوداء العادية، وأنها غير قادرة على امتصاص المادة.
موقع الويب، عند نسخ المادة كليًا أو جزئيًا، يلزم وجود رابط للمصدر.
هذه التدوينة ملخص للدرس الخامس في برنامج مقرر الفيزياء الفلكية ل المدرسة الثانوية. يحتوي الكتاب على وصف لانفجارات المستعرات الأعظم وعمليات تكوين النجوم النيوترونية (النجوم النابضة) والثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، سواء كانت مفردة أو في أزواج نجمية. وبضع كلمات عن الأقزام البنية.
أولاً سأكرر الصورة التي توضح تصنيف أنواع النجوم وتطورها حسب كتلتها:
1. انفجارات المستعرات والمستعرات الأعظم.
وينتهي احتراق الهيليوم في أعماق النجوم بتكوين العمالقة الحمر وانفجاراتهم جديدمع التعليم الأقزام البيضاءأو تشكيل العمالقة الحمراء الفائقة وثوراتها المستعرات الأعظممع التعليم النجوم النيوترونيةأو الثقوب السوداء،وكذلك السدم من القذائف التي تقذفها هذه النجوم. غالبًا ما تتجاوز كتلة الأصداف المقذوفة كتلة "مومياءات" هذه النجوم - النجوم النيوترونية والثقوب السوداء. ولفهم حجم هذه الظاهرة سأقدم فيديو لانفجار السوبرنوفا 2015F على مسافة 50 مليون سنة ضوئية منا. سنوات المجرة NGC 2442:
مثال آخر هو المستعر الأعظم 1054 في مجرتنا، ونتيجة لذلك تشكل سديم السرطان ونجم نيوتروني على مسافة 6.5 ألف سنة ضوئية منا. سنين. في هذه الحالة، كتلة النجم النيوتروني الناتج هي ~ 2 كتلة شمسية، وكتلة القشرة المقذوفة هي ~ 5 كتلة شمسية. قدر المعاصرون أن سطوع هذا المستعر الأعظم يبلغ حوالي 4-5 مرات أكبر من سطوع كوكب الزهرة. إذا اشتعل مثل هذا المستعر الأعظم ألف مرة أقرب (6.5 سنة ضوئية)، فإنه سيتألق 4000 مرة أكثر في سمائنا أكثر إشراقا من القمرولكن أضعف من الشمس بمئة مرة.
2. النجوم النيوترونية.
النجوم كتل كبيرة(الطبقات أو، ب، أ) بعد احتراق الهيدروجين إلى الهيليوم وأثناء عملية احتراق الهيليوم إلى الكربون، يدخل الأكسجين والنيتروجين في مرحلة قصيرة إلى حد ما العملاق الأحمروعند الانتهاء من دورة الهيليوم والكربون، فإنها تتخلص أيضًا من القشرة وتشتعل "المستعرات الأعظم". كما يتم ضغط أعماقها تحت تأثير الجاذبية. لكن ضغط غاز الإلكترون المتحلل لم يعد قادرًا، كما هو الحال في الأقزام البيضاء، على إيقاف هذا الضغط الذاتي الناتج عن الجاذبية. ولذلك ترتفع درجة الحرارة في أحشاء هذه النجوم وتبدأ التفاعلات النووية الحرارية بالحدوث فيها، ونتيجة لذلك العناصر التاليةالجداول الدورية. يصل إلى غدة.
لماذا قبل الحديد؟ لأن تكوين النوى ذات حجم كبير العدد الذريلا يحدث مع إطلاق الطاقة، ولكن مع امتصاصها. لكن أخذها من نوى أخرى ليس بالأمر السهل. وبالطبع تتشكل العناصر ذات الأعداد الذرية العالية في أعماق هذه النجوم. ولكن بكميات أقل بكثير من الحديد.
ولكن بعد ذلك ينقسم التطور. ليست نجومًا ضخمة جدًا (الفصول أوجزئيا في) تحول إلى النجوم النيوترونية . حيث يتم طبع الإلكترونات حرفيًا في البروتونات و معظميتحول جسد النجم إلى جسم ضخم نواة النيوترون. تتكون من نيوترونات عادية تتلامس بل وتضغط على بعضها البعض. تبلغ كثافة المادة الموجودة فيها عدة مليارات من الأطنان لكل سنتيمتر مكعب. نموذجي قطر النجم النيوتروني- حوالي 10-20 كيلومترا. النجم النيوتروني هو النوع الثاني المستقر من "مومياء" النجم الميت. تتراوح كتلتها عادة من حوالي 1.3 إلى 2.1 كتلة شمسية (وفقًا لبيانات الرصد).
يكاد يكون من المستحيل رؤية النجوم النيوترونية المنفردة بصريًا بسبب لمعانها المنخفض للغاية. لكن البعض منهم يجدون أنفسهم كذلك النجوم النابضة. ما هو؟ تدور جميع النجوم تقريبًا حول محورها ولها قوة كافية حقل مغناطيسي. على سبيل المثال، تدور شمسنا حول محورها خلال شهر تقريبًا.
تخيل الآن أن قطرها سينخفض مائة ألف مرة. ومن الواضح أنه بفضل قانون الحفاظ على الزخم الزاوي، فإنه سوف يدور بشكل أسرع بكثير. وسيكون المجال المغناطيسي لمثل هذا النجم بالقرب من سطحه أقوى بعدة مرات من المجال الشمسي. معظم النجوم النيوترونية لها فترة دوران حول محورها تتراوح بين أعشار إلى أجزاء من مائة من الثانية. من المعروف من الملاحظات أن أسرع النجوم النابضة دورانًا يقوم بما يزيد قليلاً عن 700 دورة حول محوره في الثانية، وأبطأ نجم نابض يقوم بدورة واحدة في أكثر من 23 ثانية.
تخيل الآن أن المحور المغناطيسي لهذا النجم، مثل محور الأرض، لا يتطابق مع محور الدوران. الإشعاع الثابتمن مثل هذا النجم سوف يتركز في مخاريط ضيقة على طول المحور المغناطيسي. وإذا "لامس" هذا المخروط الأرض مع فترة دوران النجم، فسنرى هذا النجم كمصدر نابض للإشعاع. مثل مصباح يدوي تدوره أيدينا.
تم تشكيل مثل هذا النجم النابض (النجم النيوتروني) بعد انفجار سوبر نوفا في عام 1054، والذي حدث أثناء زيارة الكاردينال هامبرت إلى القسطنطينية. ونتيجة لذلك حدث قطيعة نهائية بين الكاثوليك و الكنائس الأرثوذكسية. هذا النجم النابض نفسه يقوم بـ 30 دورة في الثانية. ويبدو أن القشرة التي قذفتها تبلغ كتلتها حوالي 5 أضعاف كتلة الشمس سديم السلطعون:
3. الثقوب السوداء (الكتل النجمية).
وأخيرا، النجوم الضخمة إلى حد ما (الطبقات عنوجزئيا في) إنهاء بهم مسار الحياةالنوع الثالث من "المومياء" - الثقب الأسود. ينشأ مثل هذا الجسم عندما تكون كتلة بقايا نجمية كبيرة جدًا بحيث لا يمكن لضغط النيوترونات الملامسة (ضغط غاز النيوترونات المتحلل) في أعماق هذه البقايا أن يقاوم ضغطها الذاتي الناتج عن الجاذبية. تظهر الملاحظات أن الحد الكتلي بين النجوم النيوترونية والثقوب السوداء يقع على مقربة من حوالي 2.1 كتلة شمسية.
من المستحيل ملاحظة ثقب أسود واحد بشكل مباشر. لأنه لا يمكن لأي جسيم أن يفلت من سطحه (إن وجد). حتى جسيم الضوء هو فوتون.
4. النجوم النيوترونية والثقوب السوداء في الثنائيات أنظمة النجوم.
النجوم النيوترونية الفردية والثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية غير قابلة للرصد عمليا. لكن في الحالات التي يكون فيها نجمًا واحدًا أو نجمين أو أكثر في أنظمة نجمية قريبة، تصبح مثل هذه الملاحظات ممكنة. نظرًا لأنهم بفضل جاذبيتهم يمكنهم "امتصاص" الأصداف الخارجية للباقي النجوم العاديةجيرانهم.
مع هذا "الشفط" حول نجم نيوتروني أو ثقب أسود، أ قرص التراكموهي المادة التي "تنزلق" جزئيًا نحو نجم نيوتروني أو ثقب أسود وتقذف منه جزئيًا إلى قسمين الطائرات. يمكن تسجيل هذه العملية. ومن الأمثلة على ذلك النظام النجمي الثنائي في SS433، والذي يكون أحد مكوناته إما نجمًا نيوترونيًا أو ثقبًا أسود. والثاني لا يزال نجما عاديا:
5. الأقزام البنية.
النجوم ذات الكتل الأقل بشكل ملحوظ من كتلة الشمس وما يصل إلى ~ 0.08 كتلة شمسية هي أقزام حمراء من الفئة M. وسوف تعمل على دورة الهيدروجين والهيليوم لفترة أكبر من عمر الكون. في الأجسام ذات الكتل الأقل من هذا الحد، لعدد من الأسباب، لا يكون من الممكن حدوث اندماج نووي حراري ثابت طويل الأمد. تسمى هذه النجوم بالأقزام البنية. درجة حرارة سطحها منخفضة جدًا لدرجة أنها غير مرئية تقريبًا في البصريات. لكنها تتألق في نطاق الأشعة تحت الحمراء. لمزيج من هذه الأسباب، غالبا ما يطلق عليهم النجوم الفرعية.
يتراوح نطاق كتلة الأقزام البنية من 0.012 إلى 0.08 كتلة شمسية. الأجسام التي تقل كتلتها عن 0.012 كتلة شمسية (حوالي 12 كتلة المشتري) يمكن أن تكون كواكب فقط. عمالقة الغاز. بسبب الضغط الذاتي البطيء للجاذبية، فإنها تشع طاقة أكبر بشكل ملحوظ مما تتلقاه من نجومها الأم. وبالتالي، فإن كوكب المشتري، بناء على مجموع جميع النطاقات، يصدر ما يقرب من ضعف الطاقة التي يتلقاها من الشمس.
الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية والثقوب السوداء هي أشكال متعددةالمرحلة الأخيرة من تطور النجوم. تستمد النجوم الشابة طاقتها من التفاعلات النووية الحرارية التي تحدث في باطن النجم؛ خلال هذه التفاعلات، يتحول الهيدروجين إلى الهيليوم. وبعد استهلاك نسبة معينة من الهيدروجين، يبدأ قلب الهيليوم الناتج في الانكماش. مزيد من التطوريعتمد حجم النجم على كتلته، أو بشكل أكثر دقة على كيفية ارتباطه بقيمة حرجة معينة تسمى حد شاندراسيخار. إذا كانت كتلة النجم أقل من هذه القيمة، فإن ضغط غاز الإلكترون المنحل يوقف ضغط (انهيار) قلب الهيليوم قبل أن تصل درجة حرارته إلى هذه القيمة. قيمة عاليةعندما تبدأ التفاعلات النووية الحرارية، والتي يتم خلالها تحويل الهيليوم إلى كربون. وفي الوقت نفسه، تتساقط الطبقات الخارجية للنجم المتطور بسرعة نسبية. (ويفترض أن هذه هي الطريقة التي يتم تشكيلها السدم الكوكبية.) قزم ابيضوهو عبارة عن قلب هيليوم محاط بقشرة هيدروجينية ممتدة إلى حد ما.
عندك مزيد نجوم ضخمةيستمر قلب الهيليوم في الانكماش حتى "يحترق" الهيليوم. إن الطاقة المنطلقة عندما يتحول الهيليوم إلى كربون تمنع النواة من الانهيار أكثر - ولكن ليس لفترة طويلة. بعد استهلاك الهيليوم بالكامل، يستمر ضغط النواة. وترتفع درجة الحرارة من جديد، وتبدأ التفاعلات النووية الأخرى، والتي تستمر حتى استنفاد الطاقة المخزنة في نوى الذرة. عند هذه النقطة، يتكون قلب النجم بالفعل من الحديد النقي، الذي يلعب دور "الرماد" النووي. الآن لا شيء يمكن أن يمنع النجم من الانهيار الإضافي - فهو يستمر حتى تصل كثافة مادته إلى كثافة النوى الذرية. يؤدي الضغط الحاد للمادة في المناطق المركزية للنجم إلى انفجار قوة هائلة، ونتيجة لذلك تتطاير الطبقات الخارجية للنجم بسرعات هائلة. وهذه الانفجارات هي التي يربطها علماء الفلك بظاهرة المستعرات الأعظم.
يعتمد مصير البقايا النجمية المنهارة على كتلتها. إذا كانت الكتلة أقل من 2.5M تقريبًا (كتلة الشمس)، فإن الضغط الناتج عن الحركة "الصفرية" للنيوترونات والبروتونات يكون كبيرًا بما يكفي لمنع المزيد من ضغط الجاذبية للنجم. تسمى الأجسام التي تكون فيها كثافة المادة مساوية (أو حتى تتجاوز) كثافة النوى الذرية بالنجوم النيوترونية. تمت دراسة خصائصها لأول مرة في الثلاثينيات من قبل R. Oppenheimer و G. Volkov.
ووفقاً لنظرية نيوتن، فإن نصف قطر النجم المنهار يتناقص إلى الصفر في فترة زمنية محددة، إمكانية الجاذبيةوفي الوقت نفسه يزيد إلى أجل غير مسمى. ترسم نظرية أينشتاين سيناريو مختلفًا. وتتناقص سرعة الفوتون عند اقترابه من مركز الثقب الأسود، ويصبح يساوي الصفر. وهذا يعني أنه من وجهة نظر مراقب خارجي، فإن الفوتون الذي يسقط في الثقب الأسود لن يصل إلى مركزه أبدًا. وبما أن جسيمات المادة لا يمكنها التحرك بشكل أسرع من الفوتون، فإن نصف قطر الثقب الأسود سيصل إلى قيمته الحدية في وقت لا نهائي. علاوة على ذلك، فإن الفوتونات المنبعثة من سطح الثقب الأسود تشهد انزياحًا أحمرًا متزايدًا طوال فترة الانهيار. من وجهة نظر مراقب خارجي، فإن الجسم الذي يتكون منه الثقب الأسود ينكمش في البداية بمعدل متزايد باستمرار؛ ثم يبدأ نصف قطرها في الانخفاض ببطء أكثر فأكثر.
عدم وجود مصادر داخليةتبرد الطاقة والنجوم النيوترونية والثقوب السوداء بسرعة. وبما أن مساحة سطحها صغيرة جدًا - بضع عشرات فقط كيلومتر مربع- ينبغي للمرء أن يتوقع أن يكون سطوع هذه الكائنات منخفضًا للغاية. حقًا، الإشعاع الحراريولم يتم حتى الآن رصد أسطح النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء. ومع ذلك، فإن بعض النجوم النيوترونية كذلك مصادر قويةالإشعاع غير الحراري. إنه على وشكحول ما يسمى بالنجوم النابضة التي اكتشفتها جوسلين بيل عام 1967 - طالبة دراسات عليا جامعة كامبريدج. درس بيل إشارات الراديو المسجلة باستخدام المعدات التي طورها أنتوني هيويش لدراسة إشعاع مصادر الراديو المتذبذبة. ومن بين التسجيلات العديدة للمصادر التي تومض بشكل فوضوي، لاحظت أحد المصادر التي تتكرر فيها الدفقات بشكل دوري واضح، على الرغم من تباين شدتها. وأكدت الملاحظات الأكثر تفصيلاً الطبيعة الدورية الدقيقة للنبضات، وعند دراسة السجلات الأخرى، تم اكتشاف مصدرين آخرين لهما نفس الخصائص. الملاحظات و التحليل النظريأظهر أن النجوم النابضة تدور بسرعة حول نجوم نيوترونية ذات مجالات مغناطيسية قوية بشكل غير عادي. تنجم الطبيعة النابضة للإشعاع عن شعاع من الأشعة الخارجة من "النقاط الساخنة" الموجودة على (أو بالقرب) من سطح نجم نيوتروني دوار. ولا تزال الآلية التفصيلية لهذا الإشعاع لغزا للعلماء.
تم اكتشاف العديد من النجوم النيوترونية التي تعد جزءًا من النجوم القريبة أنظمة مزدوجة. هذه النجوم النيوترونية (وليس غيرها) هي مصادر قوية الأشعة السينية. لنتخيل ثنائيًا قريبًا، أحد مكوناته عملاقًا أو عملاقًا، والآخر نجمًا مدمجًا. تحت تأثير مجال الجاذبيةبالنسبة لنجم مدمج، يمكن للغاز أن يتدفق من الغلاف الجوي المتخلخل للعملاق: هكذا تدفقات الغازفي الأنظمة الثنائية القريبة، تم اكتشافها منذ فترة طويلة عن طريق الطرق التحليل الطيفي، تلقى التفسير النظري المناسب. إذا كان النجم المدمج في النظام الثنائي نجمًا نيوترونيًا أو ثقبًا أسود، فيمكن تسريع جزيئات الغاز الهاربة من مكون آخر في النظام إلى سرعات عالية جدًا. طاقات عالية. بسبب الاصطدامات بين الجزيئات الطاقة الحركيةيتحول الغاز الذي يسقط على نجم مدمج في النهاية إلى حرارة وإشعاع. وكما تظهر التقديرات، فإن الطاقة المنطلقة في هذه الحالة تفسر بشكل كامل الكثافة الملحوظة لانبعاث الأشعة السينية من الأنظمة الثنائية من هذا النوع.
في النظرية النسبية العامة لأينشتاين، تحتل الثقوب السوداء نفس المكان الذي تشغله الجسيمات النسبية الفائقة في نظريته. نظرية خاصةالنسبية. ولكن إذا كان عالم الجسيمات النسبية الفائقة - فيزياء الطاقة العالية - ممتلئًا ظواهر مذهلةمن يلعب دور مهمالخامس الفيزياء التجريبيةوعلم الفلك الرصدي، فإن الظواهر المرتبطة بالثقوب السوداء لا تزال تثير الدهشة فقط. ستؤدي فيزياء الثقب الأسود في النهاية إلى نتائج مهمة لعلم الكونيات، لكن في الوقت الحالي يعد هذا الفرع من العلوم ملعبًا للمنظرين إلى حد كبير. ألا يترتب على ذلك أن نظرية أينشتاين في الجاذبية تعطينا معلومات أقل عن الكون من نظرية نيوتن، على الرغم من أنها في نظريامتفوقة عليه بشكل ملحوظ؟ مُطْلَقاً! وخلافا لنظرية نيوتن، تشكل نظرية أينشتاين الأساس لنموذج متسق ذاتيا الكون الحقيقيبشكل عام، فإن هذه النظرية لديها العديد من التنبؤات المذهلة والقابلة للاختبار، وهي توفر في النهاية التسبب بالشىءبين الأطر المرجعية والتوزيعية السقوط الحر وغير الدوارة، وكذلك حركة الكتلة في الفضاء الخارجي.
الثقب الأسود هو نجم نيوتروني، أو بشكل أكثر دقة، الثقب الأسود هو أحد أنواع النجوم النيوترونية.
يتكون الثقب الأسود، مثل النجم النيوتروني، من نيوترونات. علاوة على ذلك، فهو ليس غاز نيوتروني، حيث تكون النيوترونات في حالة حرة، ولكنه مادة كثيفة للغاية بكثافة النواة الذرية.
تتشكل الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية نتيجة انهيار الجاذبية، عندما لا يتمكن ضغط الغاز في النجم من موازنة ضغط جاذبيته. في الوقت نفسه، ينقبض النجم إلى حد كبير حجم صغيرو جدا كثافة عالية، بحيث يتم ضغط الإلكترونات إلى بروتونات وتتكون النيوترونات.
لاحظ أن متوسط عمر النيوترون الحر يبلغ حوالي 15 دقيقة (نصف العمر حوالي 10 دقائق). لذلك، لا يمكن للنيوترونات الموجودة في النجوم النيوترونية والثقوب السوداء أن تتواجد إلا في داخلها دولة منضمة، كما هو الحال في النوى الذرية. ولذلك فإن النجم النيوتروني والثقب الأسود يشبهان نواة ذرية ذات حجم مجهري، لا توجد فيها بروتونات.
يعد غياب البروتونات أحد الاختلافات بين الثقب الأسود والنجم النيوتروني من النواة الذرية. يرجع الاختلاف الثاني إلى حقيقة أن النيوترونات والبروتونات في النوى الذرية العادية "تلتصق" ببعضها البعض باستخدام القوى النووية (ما يسمى بالتفاعل "القوي"). وفي النجوم النيوترونية، تلتصق النيوترونات ببعضها البعض بفعل الجاذبية.
والحقيقة هي أن القوى النووية تحتاج أيضًا إلى البروتونات من أجل "لصق" النيوترونات معًا. لا توجد نوى تتكون من النيوترونات فقط. يجب أن يكون هناك بروتون واحد على الأقل. وبالنسبة للجاذبية، ليست هناك حاجة إلى بروتونات "للصق" النيوترونات معًا.
الفرق الآخر بين الجاذبية والقوى النووية هو أن الجاذبية هي تفاعل طويل المدى، والقوى النووية هي تفاعل قصير المدى. لهذا النوى الذريةلا يمكن أن يكون حجمها مجهريا. بدءا من اليورانيوم، وجميع العناصر الجدول الدوريلدى مندلييف نوى غير مستقرة تتحلل بسبب حقيقة أن البروتونات موجبة الشحنة تتنافر وتتفكك النوى الكبيرة.
النجوم النيوترونية والثقوب السوداء لا تعاني من هذه المشكلة، لأنه أولاً، قوى الجاذبيةبعيدة المدى، وثانيًا، لا توجد بروتونات موجبة الشحنة في النجوم النيوترونية والثقوب السوداء.
النجم النيوتروني والثقب الأسود تحت تأثير قوى الجاذبية لهما شكل كرة، أو بالأحرى شكل إهليلجي للدوران، حيث أن جميع النجوم النيوترونية (والثقوب السوداء) تدور حول محورها. وبسرعة كبيرة، مع فترات دوران تصل إلى عدة ثوانٍ أو أقل.
والحقيقة هي أن النجوم النيوترونية والثقوب السوداء تتشكل من النجوم العادية بسبب ضغطها القوي تحت تأثير الجاذبية. ولذلك، وفقا لقانون الحفاظ على عزم الدوران، يجب أن تدور بسرعة كبيرة.
هل أسطح الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية صلبة؟ ليس بالمعنى صلب، كمجموع حالة المادةولكن بمعنى سطح الكرة صافي، بدون جو نيوتروني. من الواضح أن الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية لها سطح صلب. الغلاف الجوي النيوتروني والسائل النيوتروني نيوترونات في حالة حرة، مما يعني أنها يجب أن تتحلل.
لكن هذا لا يعني أننا إذا أسقطنا، على سبيل المثال، بعض «المنتج» المصنوع من النيوترونات بكثافة النواة الذرية على سطح ثقب أسود أو نجم نيوتروني، فإنه سيبقى على سطح النجم. سيتم "امتصاص" مثل هذا "المنتج" الافتراضي على الفور إلى داخل النجم النيوتروني والثقب الأسود.
الفرق بين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية
تبلغ جاذبية الثقب الأسود أن سرعة الهروب على سطحه تتجاوز سرعة الضوء. لذلك، لا يمكن للضوء الصادر من سطح الثقب الأسود أن يدخل إلى داخله إلى الأبد مساحة مفتوحة. تعمل قوى الجاذبية على ثني شعاع الضوء للخلف.
إذا كان هناك مصدر ضوئي على سطح الثقب الأسود، فإن فوتونات هذا الضوء تطير أولاً إلى الأعلى، ثم تدور وتعود إلى سطح الثقب الأسود. أو تبدأ هذه الفوتونات بالدوران حول الثقب الأسود في مدار إهليلجي. ويحدث الأخير على ثقب أسود على سطحه تكون سرعة الهروب الأولى منه أقل من سرعة الضوء. وفي هذه الحالة يستطيع الفوتون الهروب من سطح الثقب الأسود، لكنه يصبح رفيقًا دائمًا للثقب الأسود.
وعلى سطح كل النجوم النيوترونية الأخرى التي ليست ثقوبًا سوداء، تكون سرعة الهروب الثانية أقل من سرعة الضوء. لذلك، إذا كان هناك مثل هذا على السطح ثقب النيوترونيوجد مصدر للضوء، ثم تترك الفوتونات الصادرة عن مصدر الضوء هذا سطح هذا النجم النيوتروني في مدارات زائدية.
ومن الواضح أن كل هذه الاعتبارات لا تنطبق فقط على الضوء المرئي، ولكن أيضًا على أي إشعاع كهرومغناطيسي. وهذا يعني أنه لا يمكن ترك الثقب الأسود فحسب ضوء مرئيولكن أيضًا موجات الراديو، الأشعة تحت الحمراءوالأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما. أقصى ما يمكن أن تفعله فوتونات هذه الإشعاعات والموجات هو أن تبدأ بالدوران حول ثقب أسود، إذا كانت سرعة الضوء بالنسبة لثقب أسود معين أكبر من الأولى سرعة الهروبعلى سطح النجم.
ولهذا السبب تسمى هذه النجوم النيوترونية "الثقوب السوداء". لا شيء يطير خارج الثقب الأسود، لكن يمكن لأي شيء أن يطير إلى داخله. (تبخر الثقوب السوداء بسبب نفق الكملن نفكر فيه هنا.)
أي أنه من الواضح أنه لا يوجد في الواقع ثقب في الفضاء هناك. مثلما لا يوجد ثقب في الفضاء في موقع نجم نيوتروني عادي أو في موقع نجم عادي.
توجد الثغرات الموجودة في الفضاء فقط في كتب مؤلفي الخيال العلمي، وفي المنشورات العلمية الشعبية والبرامج التلفزيونية. تحتاج المطبوعات والبرامج التلفزيونية إلى تعويض تكاليف التوزيع والتقييم ماليًا. ولذلك، عليهم أن يذهلوا قرائهم ومشاهدي التلفزيون عاطفيا بحقائق لا يمكن التحقق منها في المستوى الحالي لتطور العلوم والتكنولوجيا، ولكنها قد تظهر في بعض النماذج الرياضية. (الجمهور العادي عادة لا يدرك ذلك النماذج الرياضيةفي الفيزياء، من الثانوي دائمًا أن تكون الفيزياء علمًا تجريبيًا وأن النماذج الرياضية للأشياء المادية تميل إلى التغيير في المستقبل مع توفر بيانات تجريبية جديدة.)
إذا تمكنا من الوقوف على سطح الثقب الأسود، فعند النظر إلى الأعلى سنرى مرآة شفافة بدلاً من السماء المرصعة بالنجوم. أي أننا سنرى هناك كلاً من الفضاء المحيط (حيث يستقبل الثقب الأسود كل الإشعاعات المرسلة إليه) والضوء الذي يعود إلينا دون أن يتمكن من التغلب على الجاذبية. عودة الضوء هذه لها تأثير المرآة.
بالضبط نفس "المرآة" الشفافة على سطح الثقب الأسود تحدث بالنسبة لأنواع أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي (موجات الراديو، والأشعة السينية، والأشعة فوق البنفسجية، وما إلى ذلك).
تحدث أشياء كثيرة مذهلة في الفضاء، ونتيجة لذلك تظهر نجوم جديدة، وتختفي النجوم القديمة، وتتشكل الثقوب السوداء. واحدة من الرائعة و الظواهر الغامضةويحدث انهيار الجاذبية، مما ينهي تطور النجوم.
التطور النجمي هو دورة التغيرات التي يمر بها النجم طوال حياته (ملايين أو مليارات السنين). عندما ينفد الهيدروجين الموجود فيه ويتحول إلى هيليوم، يتشكل نواة الهيليوم، ويبدأ هو نفسه بالتحول إلى عملاق أحمر - نجم من الطبقات الطيفية المتأخرة ذو لمعان عالي. يمكن أن تصل كتلتها إلى 70 مرة كتلة الشمس. يُطلق على العمالقة الفائقة الساطعة اسم العمالقة الفائقة. بالإضافة إلى السطوع العالي، فهي تتميز بعمر قصير.
جوهر الانهيار
تعتبر هذه الظاهرة نقطة النهايةتطور النجوم التي يزيد وزنها عن ثلاث كتل شمسية (وزن الشمس). وتستخدم هذه الكمية في علم الفلك والفيزياء لتحديد وزن الأجسام الكونية الأخرى. يحدث الانهيار عندما تتسبب قوى الجاذبية في انهيار الأجسام الكونية الضخمة كتلة كبيرةيتقلص بسرعة كبيرة.
تحتوي النجوم التي تزن أكثر من ثلاث كتل شمسية على مادة كافية لتفاعلات نووية حرارية طويلة الأمد. عندما تنفد المادة، تتوقف و رد فعل نووي حراريوتتوقف النجوم عن كونها مستقرة ميكانيكيًا. وهذا يؤدي إلى حقيقة أنها تبدأ في الضغط باتجاه المركز بسرعة تفوق سرعة الصوت.
النجوم النيوترونية
عندما تنقبض النجوم، يؤدي ذلك إلى خلق ضغط داخلي. وإذا نما بقوة كافية لوقف ضغط الجاذبية، فسيظهر نجم نيوتروني.
هذا الجسم الكونيلديه بنية بسيطة. يتكون النجم من نواة مغطاة بقشرة، وهذه بدورها تتكون من الإلكترونات والنوى الذرية. يبلغ سمكه حوالي كيلومتر واحد وهو رقيق نسبيًا مقارنة بالأجسام الأخرى الموجودة في الفضاء.
وزن النجوم النيوترونية يساوي وزن الشمس. والفرق بينهما هو أن نصف قطرهما صغير - لا يزيد عن 20 كم. بداخلها، تتفاعل النوى الذرية مع بعضها البعض، وبالتالي تشكل المادة النووية. إن الضغط من جانبه هو الذي يمنع النجم النيوتروني من الانكماش أكثر. يتمتع هذا النوع من النجوم بسرعة دوران عالية جدًا. إنهم قادرون على القيام بمئات الثورات في ثانية واحدة. تبدأ عملية الولادة من انفجار سوبر نوفا، والذي يحدث أثناء انهيار جاذبية النجم.
المستعرات الأعظمية
انفجار السوبرنوفا هو ظاهرة التغيير المفاجئسطوع النجم. ثم يبدأ النجم في التلاشي ببطء وتدريجيا. هكذا تنتهي المرحلة الأخيرة من انهيار الجاذبية. الكارثة بأكملها مصحوبة بالإفراج كمية كبيرةطاقة.
وتجدر الإشارة إلى أن سكان الأرض لا يمكنهم رؤية هذه الظاهرة إلا بعد وقوعها. يصل الضوء إلى كوكبنا بعد فترة طويلة من تفشي المرض. وقد تسبب هذا في صعوبات في تحديد طبيعة المستعرات الأعظم.
تبريد النجم النيوتروني
وبعد انتهاء انكماش الجاذبية الذي أدى إلى تكوين نجم نيوتروني، تكون درجة حرارته مرتفعة جدًا (أعلى بكثير من درجة حرارة الشمس). يبرد النجم بسبب تبريد النيوترينو.
وفي غضون دقيقتين، يمكن أن تنخفض درجة حرارتها 100 مرة. على مدى المائة عام القادمة - 10 مرات أخرى. وبعد أن ينخفض، تتباطأ عملية التبريد بشكل ملحوظ.
حد أوبنهايمر-فولكوف
فمن ناحية، يعكس هذا المؤشر أقصى وزن ممكن لنجم نيوتروني يتم عنده تعويض الجاذبية بغاز نيوتروني. وهذا يمنع انهيار الجاذبية من الانتهاء في ثقب أسود. ومن ناحية أخرى، فإن ما يسمى بحد أوبنهايمر-فولكوف هو أيضًا عتبة أقل لوزن الثقب الأسود الذي تشكل أثناء تطور النجوم.
بسبب عدد من الأخطاء فمن الصعب تحديد القيمة الدقيقةهذه المعلمة. ومع ذلك، فمن المقدر أن تكون في حدود 2.5 إلى 3 كتلة شمسية. على هذه اللحظةويقول العلماء أن أثقل نجم نيوتروني هو J0348+0432. وزنه يزيد عن كتلتين شمسيتين. أخف ثقب أسود يزن 5-10 كتلة شمسية. ويقول علماء الفيزياء الفلكية إن هذه البيانات تجريبية وتتعلق فقط بالنجوم النيوترونية والثقوب السوداء المعروفة حاليا، وتشير إلى احتمال وجود نجوم أكثر ضخامة.
الثقوب السوداء
الثقب الأسود هو أحد أكثر الظواهر المدهشة الموجودة في الفضاء. وهو يمثل منطقة الزمكان حيث جاذبية الجاذبيةولا يسمح لأي كائن بالهروب منه. حتى الأجسام التي يمكنها التحرك بسرعة الضوء (بما في ذلك كميات الضوء نفسها) غير قادرة على تركها. قبل عام 1967، كانت الثقوب السوداء تسمى "النجوم المتجمدة"، و"النجوم المنهارة"، و"النجوم المنهارة".
الثقب الأسود له عكسه. يطلق عليه الثقب الأبيض. كما تعلمون، من المستحيل الخروج من الثقب الأسود. وأما البياض فلا يمكن اختراقه.
بالإضافة إلى انهيار الجاذبية، يمكن أن يحدث تكوين ثقب أسود بسبب انهيار في مركز المجرة أو العين المجرية الأولية. هناك أيضًا نظرية مفادها أن الثقوب السوداء ظهرت نتيجة الانفجار الكبير، تمامًا مثل كوكبنا. يسميها العلماء الأولية.
هناك ثقب أسود واحد في مجرتنا، والذي، وفقا لعلماء الفيزياء الفلكية، تشكل نتيجة لانهيار جاذبية الأجسام فائقة الكتلة. ويقول العلماء أن مثل هذه الثقوب تشكل قلب العديد من المجرات.
يشير علماء الفلك في الولايات المتحدة إلى أنه قد يتم التقليل من حجم الثقوب السوداء الكبيرة بشكل كبير. وترتكز افتراضاتهم على حقيقة أنه لكي تصل النجوم إلى السرعة التي تتحرك بها عبر المجرة M87، التي تقع على بعد 50 مليون سنة ضوئية من كوكبنا، يجب أن تكون كتلة الثقب الأسود الموجود في مركز المجرة M87 على الأقل. 6.5 مليار كتلة شمسية. في الوقت الحالي، من المقبول عمومًا أن وزن أكبر ثقب أسود يبلغ 3 مليارات كتلة شمسية، أي أكثر من النصف.
توليف الثقب الأسود
وهناك نظرية مفادها أن هذه الأجسام قد تظهر نتيجة التفاعلات النووية. لقد أعطى العلماءيطلق عليهم الهدايا السوداء الكمومية. هُم الحد الأدنى للقطرهو 10 -18 م، وأصغر كتلة هي 10 -5 جم.
تم بناء مصادم الهادرونات الكبير لتصنيع الثقوب السوداء المجهرية. كان من المفترض أنه بمساعدتها سيكون من الممكن ليس فقط تركيب ثقب أسود، ولكن أيضًا محاكاة الانفجار العظيممما يجعل من الممكن إعادة إنشاء عملية تكوين المجموعة الأجسام الفضائيةبما في ذلك كوكب الأرض. ومع ذلك، فشلت التجربة لأنه لم تكن هناك طاقة كافية لتكوين الثقوب السوداء.