ตำนานหลุมดำที่ใหญ่ที่สุด

ตำนานหลุมดำที่ใหญ่ที่สุด
ตำนานหลุมดำที่ใหญ่ที่สุด
Anonim

หลุมดำเป็นพื้นที่ของอวกาศที่มีมวลมากในปริมาณน้อยที่มีขอบฟ้าเหตุการณ์ซึ่งเป็นพื้นที่ที่ไม่มีอะไรแม้แต่แสงสามารถหลบหนีได้ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าหลุมดำดูดสสาร พวกเขาแค่ดึงดูดเธอ

หลุมดำอาจเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดและน่าทึ่งที่สุดในจักรวาล ที่นั่น มวลมหาศาลกระจุกตัวอยู่ในปริมาตรที่น้อยมาก และหลุมดำย่อมยุบตัวเป็นภาวะภาวะเอกฐานอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ล้อมรอบด้วยขอบฟ้าของเหตุการณ์ที่ไม่มีอะไรจะไปได้ เหล่านี้เป็นวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในจักรวาล เมื่อบางสิ่งเข้าใกล้พวกเขามากเกินไป พลังของหลุมดำจะฉีกมันออกจากกัน เมื่อสสาร ปฏิสสาร หรือการแผ่รังสีข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ พวกมันก็จะตกลงไปที่ใจกลางของหลุมดำ ขยายให้ใหญ่ขึ้นและเพิ่มมวลเข้าไป

คุณสมบัติเหล่านี้ของหลุมดำมีอยู่จริง และล้วนเป็นความจริง แต่มีแนวคิดหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้ ซึ่งเป็นเรื่องแต่ง หลุมดำดูดในเรื่องที่อยู่รอบตัวพวกเขา สิ่งนี้อยู่ไกลจากความจริงมาก และเป็นการบิดเบือนภาพของแรงโน้มถ่วงโดยสิ้นเชิง ตำนานที่ใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับหลุมดำคือพวกมันดูดสสาร และนี่คือความจริงทางวิทยาศาสตร์

โดยหลักการและในทางปฏิบัติ หลุมดำสามารถก่อตัวได้หลายวิธี ดาวมวลสูงขนาดใหญ่สามารถเกิดซูเปอร์โนวาได้ ซึ่งแกนกลางจะยุบตัวและก่อตัวเป็นหลุมดำ คุณสามารถดูการรวมกันของดาวนิวตรอนสองดวง และหากผ่านเกณฑ์มวลที่แน่นอน ผลที่ได้ก็คือหลุมดำใหม่ กระจุกสสารขนาดใหญ่ (ดาวมวลมหาศาลหรือเมฆก๊าซขนาดยักษ์ที่หดตัว) จะยุบตัวและกลายเป็นหลุมดำโดยตรง

หากมีมวลเพียงพอในปริมาตรที่มีความเข้มข้นเพียงพอ ขอบฟ้าเหตุการณ์จะถูกสร้างขึ้นรอบๆ นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ เราสามารถเคลื่อนห่างจากมันได้หากเราเคลื่อนออกจากหลุมดำด้วยความเร็วแสง แต่ถ้าเราอยู่ในขอบฟ้าเหตุการณ์ แม้แต่ที่ความเร็วแสง ซึ่งเป็นขีดจำกัดความเร็วของจักรวาล วิถีการเคลื่อนที่ใดๆ ก็จะยังนำเราไปยังศูนย์กลางของหลุมดำ นั่นคือ สู่ภาวะเอกฐาน เป็นไปไม่ได้เลยที่จะหลบหนีจากหลุมดำในขณะที่อยู่ในขอบฟ้าเหตุการณ์

แต่วัตถุนอกหลุมดำก็มีปัญหามากมายเช่นกัน หลุมดำมีขนาดใหญ่มากจนถ้าเราเข้าใกล้หลุมใดหลุมหนึ่งมากขึ้น เราจะเริ่มสัมผัสกับพลังน้ำขึ้นน้ำลง คุณอาจคุ้นเคยกับกระแสน้ำเหล่านี้ ถ้าคุณรู้ว่าดวงจันทร์คืออะไรและมีปฏิสัมพันธ์กับโลกอย่างไร

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าดวงจันทร์และโลกถือได้ว่าเป็นวัตถุที่มีระยะห่างจากกันถึง 380,000 กิโลเมตร แต่ในความเป็นจริง โลกไม่ใช่จุด แต่เป็นวัตถุที่มีปริมาตรที่แน่นอนและค่อนข้างจริง บางพื้นที่ของโลกอยู่ใกล้กับดวงจันทร์มากกว่าพื้นที่อื่น ผู้ที่อยู่ใกล้กว่าจะได้สัมผัสกับแรงโน้มถ่วงมากกว่าค่าเฉลี่ย ผู้ที่อยู่ไกลออกไปจะมีแรงดึงดูดน้อยกว่าค่าเฉลี่ย

แต่มีคุณสมบัติอื่นนอกเหนือจากความแตกต่างในระยะทาง เช่นเดียวกับวัตถุทางกายภาพทั้งหมด โลกเป็นสามมิติ ซึ่งหมายความว่า "ด้านบน" และ "ด้านล่าง" ของโลก (เมื่อมองจากดวงจันทร์) ถูกดึงเข้าด้านใน เข้าหาจุดศูนย์กลางเมื่อเทียบกับส่วนที่อยู่ตรงกลาง

ทั้งหมดนี้ หากเราลบแรงเฉลี่ยที่มีอยู่ ณ จุดใดๆ บนโลก เราจะเห็นว่าจุดต่างๆ บนพื้นผิวสัมผัสกับแรงภายนอกจากดวงจันทร์ในรูปแบบต่างๆเส้นของแรงเหล่านี้ประกอบกันเป็นแรงสัมพัทธ์ที่กระทำต่อวัตถุ และอธิบายว่าทำไมวัตถุภายใต้อิทธิพลของแรงน้ำขึ้นน้ำลงจึงถูกดึงเข้าหาวัตถุและบีบอัดในแนวตั้งฉากกับทิศทางของแรงนี้

ยิ่งเราเข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่มากเท่าไหร่ พลังน้ำขึ้นน้ำลงก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น พวกมันเติบโตเร็วกว่าแรงโน้มถ่วง! เนื่องจากหลุมดำมีขนาดใหญ่แต่มีขนาดเล็กมาก พวกมันจึงสร้างพลังคลื่นที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาล ด้วยเหตุนี้ เมื่อเราเข้าใกล้หลุมดำ เรายืดออกมากขึ้นเรื่อยๆ จนกลายเป็นเหมือนเส้นสปาเก็ตตี้เส้นเล็ก

จากสิ่งนี้ เข้าใจได้ง่ายมากว่าทำไมหลุมดำถึงดูดเราเข้าไปได้ ยิ่งเราเข้าใกล้มันมากเท่าไหร่ แรงโน้มถ่วงก็จะยิ่งมีพลังมากขึ้นเท่านั้น และแรงน้ำขึ้นน้ำลงก็เริ่มยืดและฉีกเรามากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ความคิดที่ว่าเราสามารถดูดเข้าไปในหลุมดำได้นั้นเป็นสิ่งที่ผิด อนุภาคใดๆ ที่ประกอบเป็นวัตถุที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของหลุมดำยังคงเป็นไปตามกฎฟิสิกส์ที่เป็นที่รู้จัก รวมถึงกฎความโค้งของกาลอวกาศ-เวลาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ใช่ เนื่องจากการมีอยู่ของมวล โครงสร้างของอวกาศจึงโค้ง และหลุมดำคือการสะสมมวลที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาล แต่ก็เป็นความจริงเช่นกันที่ความหนาแน่นของมวลนี้ไม่ส่งผลต่อความโค้งของอวกาศแต่อย่างใด หากดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำที่มีมวลเท่ากันถูกวางไว้ในตำแหน่งของดวงอาทิตย์ แรงกระทำของแรงโน้มถ่วงบนโลกจะไม่เปลี่ยนแปลง พื้นที่รอบตัวเรานั้นโค้งโดยมวลรวมทั้งหมด และความหนาแน่นแทบไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับมันเลย

จากระยะไกล หลุมดำดูเหมือนมวลอื่นๆ ในจักรวาล แต่ถ้าเราเข้าใกล้มันในระยะทางต่ำสุดของรัศมีทรงกลม Schwarzschild เราจะเริ่มสังเกตเห็นการเบี่ยงเบนจากแรงโน้มถ่วงของนิวตัน อย่างไรก็ตาม หลุมดำยังคงทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางของแรงโน้มถ่วง และวัตถุที่เข้าใกล้มันโคจรในวงโคจรปกติ: วงกลม วงรี พาราโบลา หรือไฮเปอร์โบลาที่มีการประมาณที่ดีมาก

แรงน้ำขึ้นน้ำลงอาจทำให้วัตถุที่เข้าใกล้ยืดและแตกออกจากกัน และในขณะที่สสารสะสมอยู่รอบๆ หลุมดำในรูปของจานเพิ่มมวล ผลที่ตามมา เช่น สนามแม่เหล็ก การเสียดสี และความร้อนก็อาจเกิดขึ้นได้ จากผลกระทบเพิ่มเติมนี้ สสารบางส่วนจะช้าลงและถูกหลุมดำกลืนกิน แต่ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ภายนอก

ความจริงก็คือหลุมดำไม่ได้ดูดอะไรเลย วัตถุธรรมดาอื่น ๆ ทั้งหมด (ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์ ดาว) มีแรงแบบเดียวกับที่หลุมดำมีอยู่ อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดเป็นเพียงแรงโน้มถ่วง ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดคือหลุมดำนั้นหนาแน่นกว่าวัตถุส่วนใหญ่ ใช้ปริมาตรในอวกาศน้อยกว่ามาก และสามารถมีมวลมากกว่าวัตถุอื่นๆ ได้มาก ดาวเสาร์โคจรรอบดวงอาทิตย์อย่างเงียบ ๆ แต่ถ้าแทนที่จะเป็นดวงอาทิตย์ที่ใจกลางทางช้างเผือกเราใส่หลุมดำซึ่งมีมวลมากกว่าดาวฤกษ์ของเราสี่ล้านเท่า แรงน้ำขึ้นน้ำลงจะทำลายดาวเสาร์ แปลงเป็นวงแหวนขนาดยักษ์ และจะกลายเป็นส่วนสำคัญของดิสก์สะสมมวลสารหลุมดำนี้ และหากมีแรงเสียดทาน ความร้อน และความเร่งเพียงพอในที่ที่มีสนามโน้มถ่วง สนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยสสาร เมื่อเวลาผ่านไปมันก็จะตกลงมาภายในและถูกกลืนเข้าไป

ดูเหมือนว่าหลุมดำกำลังดูดซับสสาร เพราะมันมีขนาดใหญ่มาก และแรงน้ำขึ้นน้ำลงและสสารที่สะสมอยู่รอบ ๆ หลุมดำเข้าด้วยกันสามารถฉีกวัตถุภายนอกออกเป็นชิ้น ๆ หลังจากนั้นส่วนหนึ่งของวัตถุดังกล่าวภายใต้อิทธิพลของแรงดึง จะอยู่ภายในดิสก์สะสมมวลสาร และเมื่อเวลาผ่านไป และภายในหลุมดำเองแต่หลุมดำนั้นจู้จี้จุกจิกมาก และสสารส่วนใหญ่ที่เคลื่อนเข้าใกล้มันกลับถุยออกมาในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง และมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่เข้าไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ บังคับให้หลุมดำเติบโตทีละน้อย

หากเราแทนที่มวลทั้งหมดในจักรวาลด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่ากัน จากนั้นจึงขจัดทุกสิ่งที่ก่อให้เกิดการเสียดสี เช่น ดิสก์สะสมมวล หลุมดำก็จะดูดเข้าไปน้อยมาก อนุภาคจะเกิดการเสียดสีเนื่องจากการแผ่รังสีของคลื่นความโน้มถ่วง ผ่านกาลอวกาศโค้งที่เกิดจากหลุมดำ ตามทฤษฏีของไอน์สไตน์ เฉพาะสสารที่อยู่ด้านในและใจกลางวงโคจรที่เสถียรเท่านั้นที่จะถูกดูดกลืนเข้าไป สิ่งนี้ไม่สำคัญเมื่อเทียบกับสิ่งที่อยู่ในขอบฟ้าเหตุการณ์ในความเป็นจริงทางกายภาพของเรา

เป็นผลให้เรามีแรงโน้มถ่วงและกาลอวกาศโค้งที่เกิดขึ้นจากการมีอยู่ของมวลเหล่านี้เท่านั้น ความคิดที่ว่าหลุมดำดูดบางสิ่งเข้าไปนั้นเป็นตำนานที่ยิ่งใหญ่ที่สุด พวกมันเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและไม่มีอะไรอื่น แต่สิ่งนี้เกินพอในจักรวาล