หลุมดำ
หลุมดำคืออะไร:
หลุมดำเป็นปรากฏการณ์ทางอวกาศที่มีสัดส่วนสูงมาก (โดยปกติจะใหญ่กว่าดวงอาทิตย์) และมีขนาดกะทัดรัดมากส่งผลให้เกิดสนามแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งจนไม่มีอนุภาคหรือรังสีออกมา
เมื่อพิจารณาว่าแม้แต่แสงถูกดูดออกหลุมดำก็จะมองไม่เห็นและการมีอยู่ของพวกมันนั้นเป็นเพียงผลจากแรงดึงดูดที่สังเกตได้ในสภาพแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรของวัตถุท้องฟ้าใกล้เข้ามา
ในทางทฤษฎีมีเพียงบางสิ่งที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วแสงเท่านั้นที่จะสามารถทนต่อสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำได้ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะรู้ได้อย่างแน่นอนว่าเกิดอะไรขึ้นกับเรื่องที่ถูกดูด
หลุมดำใหญ่แค่ไหน?
หลุมดำมีหลายขนาด ผู้เยาว์ที่รู้จักทางวิทยาศาสตร์เรียกว่าหลุมดำ ดั่งเดิม และเชื่อว่ามีขนาดเท่ากับอะตอม แต่มีมวลรวมของภูเขา
หลุมดำขนาดกลาง (ซึ่งมีมวลมากถึง 20 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ทั้งหมด) เรียกว่า ดาวฤกษ์ ในหมวดหมู่นี้หลุมดำที่เล็กที่สุดที่ค้นพบมีมวลดวงอาทิตย์ 3.8 เท่า
หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในแคตตาล็อกเรียกว่า มวลมหาศาล ซึ่งมักพบในใจกลางกาแลคซี ตัวอย่างเช่นในใจกลางของทางช้างเผือกคือ Sagittarius A หลุมดำที่มีมวลเทียบเท่ากับ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์
จนถึงหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดที่รู้จักกันเรียกว่า S50014 + 81 ซึ่งมวลเท่ากับสี่หมื่นล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์
หลุมดำก่อตัวอย่างไร
หลุมดำเกิดจากการยุบตัวของแรงดึงดูดของวัตถุท้องฟ้า ปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเมื่อความดันภายในของร่างกาย (ปกติแล้วเป็นดาว) ไม่เพียงพอที่จะรักษามวลของมันเอง ดังนั้นเมื่อนิวเคลียสของดาวทรุดตัวลงเนื่องจากแรงดึงดูดวัตถุท้องฟ้าจึงปล่อยพลังงานจำนวนมากออกสู่เหตุการณ์ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา
การแสดงภาพของซูเปอร์โนวา
ในช่วงซูเปอร์โนวาในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีมวลทั้งหมดของดาวจะถูกบีบอัดเข้าสู่นิวเคลียสของมันในขณะที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 1/4 ของแสง (รวมถึง ณ เวลานี้องค์ประกอบที่หนักที่สุดของเอกภพจะถูกสร้างขึ้น)
จากนั้นการระเบิดจะก่อให้เกิดเป็น ดาวนิวตรอน หรือถ้าดาวมีขนาดใหญ่พอผลที่ได้ก็คือการก่อตัวของหลุมดำที่มีมวลเข้มข้นของมวลทางดาราศาสตร์ทำให้เกิดสนามความโน้มถ่วงดังกล่าว ในนั้นความเร็วของการหลบหนี (ความเร็วที่จำเป็นสำหรับอนุภาคหรือรังสีเพื่อต้านทานแรงดึงดูด) จะต้องมากกว่าความเร็วแสงอย่างน้อยที่สุด
ประเภทของหลุมดำ
นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวเยอรมันอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ได้กำหนดสมมติฐานที่เกี่ยวข้องกับความโน้มถ่วงซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการเกิดขึ้นของฟิสิกส์ยุคใหม่ ชุดความคิดนี้เรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการสังเกตการณ์ใหม่ ๆ เกี่ยวกับผลกระทบความโน้มถ่วงของหลุมดำ
สำหรับไอน์สไตน์หลุมดำคือ "การเสียรูปในอวกาศ - เวลาที่เกิดจากสสารเข้มข้นจำนวนมาก" ทฤษฎีของเขาส่งเสริมความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของพื้นที่และอนุญาตการจำแนกประเภทของหลุมดำประเภทต่างๆ:
Schwarzschild หลุมดำ
หลุมดำของชวาร์สชิลด์เป็นหลุมที่ไม่มีประจุไฟฟ้าและไม่มีแรงกระตุ้นเชิงมุมกล่าวคืออย่าหมุนรอบแกน
เคอร์หลุมดำ
หลุมดำของเคอร์ไม่มีประจุไฟฟ้า แต่หมุนรอบแกน
Reissner-Nordstrom หลุมดำ
หลุมดำ Reissner-Nordstrom มีประจุไฟฟ้า แต่ไม่หมุนรอบแกน
เคอร์ - นิวแมนหลุมดำ
หลุมดำเคอร์ - นิวแมนมีประจุไฟฟ้าและหมุนรอบแกน
ตามทฤษฎีแล้วหลุมดำทุกประเภทในที่สุดก็กลายเป็นหลุมดำชวาร์สชิลด์ (คงที่และไม่มีประจุไฟฟ้า) เมื่อสูญเสียพลังงานเพียงพอและหยุดหมุน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า กระบวนการเพนโรส ในกรณีเหล่านี้วิธีเดียวที่จะแยกความแตกต่างหลุมดำหนึ่งหลุมจาก Schwarzschild จากอีกหลุมหนึ่งคือการวัดมวลของมัน
โครงสร้างของหลุมดำ
หลุมดำนั้นมองไม่เห็นเนื่องจากสนามแรงโน้มถ่วงของพวกมันหลบหนีไม่พ้นแม้แต่กับแสง ดังนั้นหลุมดำจึงมีลักษณะของพื้นผิวสีเข้มซึ่งไม่มีอะไรสะท้อนออกมาและไม่มีหลักฐานว่าเกิดอะไรขึ้นกับองค์ประกอบที่ถูกดูดเข้าไป อย่างไรก็ตามจากการสังเกตผลกระทบที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมของพวกเขาโครงสร้างทางวิทยาศาสตร์หลุมดำใน ขอบฟ้าเหตุการณ์ความ เป็นเอกเทศ และ เออร์โกสเฟีย ร์
ขอบฟ้าของเหตุการณ์
ขอบเขตของสนามความโน้มถ่วงของหลุมดำที่ไม่มีสิ่งใดสังเกตได้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์หรือ จุดที่ไม่มีผลตอบแทน
การแสดงกราฟิกของขอบฟ้าเหตุการณ์จัดทำขึ้นโดยองค์การนาซ่าซึ่งเป็นรูปทรงกลมที่สมบูรณ์แบบซึ่งสังเกตได้จากที่ไม่มีแสงถูกปล่อยออกมา
แม้ว่ามันจะเป็นเพียงผลสืบเนื่องจากความโน้มถ่วง แต่ขอบฟ้าเหตุการณ์ถือเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของหลุมดำเพราะเป็นจุดเริ่มต้นของพื้นที่ที่สังเกตได้ของปรากฏการณ์
เป็นที่ทราบกันดีว่ารูปร่างของมันนั้นมีลักษณะเป็นทรงกลมอย่างสมบูรณ์ในหลุมดำคงที่และมีความเอียงในการหมุนหลุมดำ
เนื่องจากการยืดเวลาของ แรงโน้มถ่วง ทำให้อิทธิพลของมวลหลุมดำที่มีต่อกาลอวกาศทำให้เกิดขอบฟ้าเหตุการณ์แม้จะอยู่นอกช่วงที่จะมีผลกระทบต่อไปนี้:
- สำหรับผู้สังเกตการณ์ระยะไกลนาฬิกาใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์จะเคลื่อนที่ช้ากว่าที่ไกลออกไป ดังนั้นวัตถุใด ๆ ที่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำดูเหมือนว่าจะช้าลงจนดูเหมือนเป็นอัมพาตในเวลา
- สำหรับผู้สังเกตการณ์ระยะไกลวัตถุที่เข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์จะถือว่าเป็นสีแดงซึ่งเป็นผลมาจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่รู้จักกันในชื่อ redshift เนื่องจากความถี่ของแสงจะลดลงโดยสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ
- จากมุมมองของวัตถุเวลาจะผ่านไปด้วยความเร็วที่เร่งขึ้นสำหรับทั้งจักรวาลในขณะที่สำหรับตัวมันเองเวลาจะผ่านไปตามปกติ
เอกพจน์
จุดศูนย์กลางของหลุมดำที่ซึ่งมวลของดาวฤกษ์กระจุกตัวหนาแน่นเรียกว่าภาวะเอกฐานซึ่งไม่ค่อยมีใครรู้จัก ตามทฤษฎีแล้วภาวะเอกฐานมีมวลรวมของดาวฤกษ์ที่ยุบตัวรวมอยู่ในมวลของวัตถุทั้งหมดที่ถูกดูดด้วยสนามโน้มถ่วง แต่ไม่มีปริมาตรหรือพื้นผิว
ergosphere
เออร์โกสเฟียร์เป็นพื้นที่ที่ล้อมรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ในหลุมดำที่กำลังหมุนซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่ร่างกายท้องฟ้าจะหยุดนิ่ง
แต่ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์วัตถุใด ๆ ที่หมุนได้มักจะลากเวลาว่างใกล้กับมัน ในหลุมดำที่หมุนได้เอฟเฟกต์นี้แรงมากจนจำเป็นต้องให้วัตถุท้องฟ้าเคลื่อนไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วที่สูงกว่าของแสงเพื่อคงอยู่กับที่
เป็นสิ่งสำคัญที่จะไม่สร้างความสับสนให้กับเอฟเฟกต์ของเออร์โกสเฟียร์กับเอฟเฟกต์ของขอบฟ้าเหตุการณ์ เออร์โกสเฟียร์ ไม่ได้ดึงดูดวัตถุ ด้วยสนามโน้มถ่วง ดังนั้นสิ่งใดก็ตามที่สัมผัสกับมันจะถูกแทนที่ในเวลาว่างและจะดึงดูดถ้ามันตัดผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์
ทฤษฎีสตีเฟ่นฮอว์คิงบนหลุมดำ
สตีเฟ่นฮอว์คิงเป็นหนึ่งในนักฟิสิกส์และผู้มีอิทธิพลมากที่สุดแห่งศตวรรษที่ 20 และ 21 ในบรรดาคุณูปการมากมายฮอว์คิงได้แก้ไขทฤษฎีบทหลายข้อที่เสนอโดยไอน์สไตน์ บิ๊กแบง
ฮอว์คิงยังเชื่อว่าหลุมดำนั้นไม่ได้ดำอย่างสมบูรณ์ แต่ปล่อยรังสีความร้อนจำนวนเล็กน้อย ผลกระทบนี้เป็นที่รู้จักในวิชาฟิสิกส์ในชื่อ Hawking Radiation ทฤษฎีนี้ทำนายว่าหลุมดำจะสูญเสียมวลด้วยการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาและในกระบวนการที่ช้ามาก ๆ จะลดน้อยลงจนกว่าจะหายไป
