Sorte huller:Hvorfor studere dem? Hvad gør dem så fascinerende?

I løbet af de sidste par måneder har Universe Today udforsket et væld af videnskabelige felter, herunder nedslagskratere, planetoverflader, exoplaneter, astrobiologi, solfysik, kometer, planetariske atmosfærer, planetarisk geofysik, kosmokemi, meteoritter, radioastronomi, ekstremofiler og organisk kemi , og hvordan disse forskellige discipliner hjælper videnskabsmænd og offentligheden til bedre at forstå vores plads i kosmos.

Her vil vi diskutere det fascinerende og mystiske felt af sorte huller med Dr. Gaurav Khanna, som er professor i Institut for Fysik ved University of Rhode Island, om vigtigheden af ​​at studere sorte huller, fordele og udfordringer, spændende aspekter af at studere sorte huller, og hvordan kommende studerende vil fortsætte med at studere sorte huller.

Så hvad er vigtigheden af ​​at studere sorte huller?

"Tyngekraft er den ældste kendte, men den mindst forståede kraft i naturen," siger Dr. Khanna til Universe Today. "For studerende på tyngdekraften er sorte huller blandt de mest interessante objekter at studere, fordi tyngdekraften er den dominerende kraft der - faktisk er den uendelig stærk! Så er der astrofysiske årsager til interesse for sorte huller. De spiller vigtige roller i galakser, måske endda i universets opførsel i stor skala og mere.

"Den anden ting at bemærke om sorte huller er, at de er meget 'simple', især sammenlignet med stjerner og andre astrofysiske objekter. Dette er en konsekvens af den såkaldte 'no hair'-sætning, der siger, at sorte huller kan karakteriseres fuldt ud. med kun tre egenskaber - deres masse, ladning og spin. Denne enkelhed gør dem særligt attraktive for studier og forskning."

Sorte huller er kendt for at udvise tyngdekraften så stærk, at lys ikke engang kan undslippe, og mens Albert Einsteins almene relativitetsteori i 1915 ofte er krediteret med først at foreslå begrebet sorte huller, konceptet om et objekt, hvis størrelse og tyngdekraft ikke ville tillade lys at undslippe blev først foreslået i et brev fra november 1784 af den engelske filosof og præst, John Mitchell.

I dette brev omtalte Mitchell disse objekter som "mørke stjerner", da han postulerede, at stjerner, hvis diameter oversteg 500 gange vores sols diameter, ville udløse dannelsen af ​​disse objekter. Derudover foreslog han, at gravitationsbølger, der påvirker nærliggende himmellegemer, ville gøre det muligt at detektere disse objekter.

Spol frem til Einsteins generelle relativitetsteori, som også forudsagde både eksistensen af ​​sorte huller og gravitationsbølger, som begge fortsatte med at blive gransket gennem det 20. århundrede, som omfatter det, der kaldes "den generelle relativitetsteoris gyldne tidsalder" i løbet af 1960'erne og 1970'erne. Dette omfatter det første objekt, der blev accepteret af det videnskabelige samfund som et sort hul, kaldet Cygnus X-1, som blev opdaget i 1964. Det tog dog yderligere 52 år for eksistensen af ​​gravitationsbølger at blive bekræftet gennem en sort hul-fusion, hvilket blev opnået af LIGO Scientific Collaboration.

I betragtning af den omfattende historie kombineret med vigtige opdagelser, der kun er sket inden for de sidste par år, hvad er nogle af fordelene og udfordringerne ved at studere sorte huller?

Dr. Khanna fortæller til Universe Today, "Som jeg sagde ovenfor, giver undersøgelse af sorte huller, som er en konsekvens af Einsteins relativitetsteori, indsigt i tyngdekraftens natur, rum og tid på de mest fundamentale niveauer. Som fysikere er vi endnu ikke udvikle en fuldstændig forståelse af tyngdekraftens kvantenatur, og sorte huller er nøglen til at låse op for dette mysterium.

"Med hensyn til udfordringerne vil jeg sige, at den tydeligste måske er, at sorte huller kun kan observeres indirekte. I modsætning til stjerner, da de ikke selv udsender stråling, er det svært for astronomer at indsamle data om dem. I bedste fald, vi kan observere deres indflydelse på deres miljø (som gas, stjerner osv.) og udlede deres egenskaber og adfærd.

"På den teoretiske side, selvom det faktisk er sandt, at sorte huller er meget 'simple' sammenlignet med stjerner, er der stadig udfordringer. Matematikken og fysikken, der beskriver dem, er ret avanceret, og selv computersimuleringer, der involverer dem, er udfordrende og kræver massiv behandling kraft og hukommelse."

Mens der gik over 100 år mellem Einstein introducerede sin generelle relativitetsteori i 1915 og bekræftelsen af ​​gravitationsbølger i 2016, tog det kun yderligere tre år for astronomer at offentliggøre det første direkte billede af et sort hul i centrum af Messier 87 galakse.

Resultaterne blev offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters og baseret på observationer taget i 2017 af det kraftfulde Event Horizon Telescope (EHT). Mens Messier 87 er placeret cirka 53 millioner lysår fra Jorden, er det nærmeste hypotese sorte hul, Gaia BH1, placeret cirka 1.560 lysår fra Jorden. I 2022 offentliggjorde astronomer et direkte billede af Skytten A*, som er det supermassive sorte hul i midten af ​​vores Mælkevejsgalakse.

Dr. Khanna siger til Universe Today, "Jeg formoder, at jeg nok ville henvise til mit seneste arbejde om, hvordan meget hurtigt roterende sorte huller forsøger at 'vokse hår', men i sidste ende mislykkes. Projektet er interessant, fordi det ser ud til at antyde en krænkelse af ' ingen hårsætning, som jeg nævnte tidligere, men det gør den i sidste ende ikke. Så det er provokerende, men så lindrende!

"Vigtigere er det, at vi nu bruger hovedkonteksten for den forskning til at udvikle en ny observationel 'signatur' eller test for hurtigt roterende sorte huller, også kendt som næsten-ekstremale sorte huller. Sådanne sorte huller har flere ejendommelige egenskaber og aspekter og er et område af aktiv forskning."

Sorte huller studeres af astronomer, fysikere og astrofysikere, som bruger en kombination af teori og observationer til at konstruere, hvordan sorte huller kan se ud, og i sjældne tilfælde, som diskuteret, opnår direkte billeder af dem. Hvad angår teori, bruger forskere matematiske beregninger og computermodeller til at simulere, hvordan sorte huller kan se ud, og har derefter brugt kraftige jordbaserede teleskoper som EHT til at få de få direkte billeder af sorte huller.

Det er vigtigt at bemærke, at disse direkte billeder ikke fanger selve det sorte hul, men de gasser, der omkranser det sorte huls begivenhedshorisont, eller den uofficielle grænse, hvor lyset ikke kan undslippe det sorte hul.

Men hvilke råd kan Dr. Khanna tilbyde kommende studerende, der ønsker at studere sorte huller?

Dr. Khanna siger til Universe Today:"Jeg vil give dem en masse opmuntring! Der er meget at gøre i dette rum og mange mysterier at løse. Nye observationer vil åbne mange nye døre og helt nye veje til forskning. Dette er blandt de bedste tider til at være sort hul-astrofysiker!"

Dr. Khanna fortsætter, "Den ene ting, som jeg måske kunne sige, som måske ikke er så meget fremhævet andre steder, handler om computere som et værktøj til at studere sorte huller. For det meste er der stor vægt på at lære avanceret matematik som baggrund for seriøs forskning i sorte huller. huller – og med god grund – som fortsat er kritiske for enhver studerende af Einsteins relativitetsteori, som er grundlaget for sorte huls fysik.

"I de senere år er computersimuleringer gået hurtigt frem, og man kan nu gøre store opdagelser om dybe spørgsmål ved hjælp af beregningsværktøjer. På længere sigt vil computerprogrammering være et meget lovende værktøj til at fremme forskningen på dette område og også mange andre. "