VAD äR ETT SUPERMASSIVT SVART HåL?

Send

År 1971 antog de engelska astronomerna Donald Lynden-Bell och Martin Rees att ett supermassivt svart hål (SMBH) finns i mitten av vår Vintergatan. Detta baserades på deras arbete med radiogalaxier, som visade att de enorma mängder energi som strålades av dessa föremål berodde på att gas och materia fördes på ett svart hål i deras centrum.

År 1974 hittades de första bevisen för denna SMBH när astronomer upptäckte en massiv radiokälla som kom från centrum av vår galax. Denna region, som de kallade Skytten A *, är över 10 miljoner gånger så massiv som vår egen sol. Sedan upptäckten har astronomer funnit bevis på att det finns supermassiva svarta hål i mitten av de flesta spiral- och elliptiska galaxer i det observerbara universum.

Beskrivning:

Supermassiva svarta hål (SMBH) skiljer sig från svarta hål med lägre massa på flera sätt. För det första, eftersom SMBH har en mycket högre massa än mindre svarta hål, har de också en lägre medeltäthet. Detta beror på det faktum att volymen med alla sfäriska föremål är direkt proportionell mot radiens kub, medan minimitätheten för ett svart hål är omvänt proportionell mot massans kvadrat.

Dessutom är tidvattenkrafterna i närheten av händelseshorisonten betydligt svagare för massiva svarta hål. Liksom med densitet är tidvattenskraften på en kropp vid händelseshorisonten omvänt proportionell mot massans kvadrat. Som sådan skulle ett föremål inte uppleva någon betydande tidvattenkraft förrän det var mycket djupt in i det svarta hålet.

Bildning:

Hur SMBH bildas förblir föremål för mycket vetenskaplig debatt. Astrofysiker tror till stor del att de är resultatet av sammanslagningar av svart hål och materiens tillträde. Men där "frön" (dvs förfäder) till dessa svarta hål kom ifrån, är där oenighet uppstår. För närvarande är den mest uppenbara hypotesen att de är resterna av flera massiva stjärnor som exploderade, som bildades av materialets förening i det galaktiska centrumet.

En annan teori är att innan de första stjärnorna som bildades i vår galax kollapsade ett stort gasmoln till en "qausi-stjärna" som blev instabil för radiella störningar. Det förvandlades sedan till ett svart hål på cirka 20 solmassor utan behov av en supernovaexplosion. Med tiden ackumulerade den snabbt massan för att bli en mellanliggande och sedan supermassiv svart hål.

I ännu en modell upplevde ett tätt stjärnkluster kärnkollaps som ett resultat av hastighetsdispersion i dess kärna, vilket hände med relativistiska hastigheter på grund av negativ värmekapacitet. Slutligen finns det teorin om att primordiala svarta hål kan ha producerats direkt av yttre tryck omedelbart efter Big Bang. Dessa och andra teorier förblir teoretiska för tillfället.

Skytten A *:

Flera bevislinjer pekar på förekomsten av en SMBH i mitten av vår galax. Även om inga direkta observationer har gjorts av Skytten A *, har dess närvaro sluts ut från det inflytande det har på omgivande föremål. Den mest anmärkningsvärda av dessa är S2, en stjärna som flyter en elliptisk bana runt Skytten A * radiokälla.

S2 har en omloppsperiod på 15,2 år och når ett minimalt avstånd på 18 miljarder km (11,18 miljarder mi, 120 AU) från centrum av det centrala objektet. Endast ett supermassivt objekt kunde redogöra för detta, eftersom ingen annan orsak kan urskiljas. Och från S2: s orbitalparametrar har astronomer kunnat producera uppskattningar av objektets storlek och massa.

Till exempel har S2: s rörelser lett astronomer att beräkna att objektet i mitten av dess bana måste ha inte mindre än 4,1 miljoner solmassor (8,2 × 10 ³ metriska ton; 9,04 × 10 ³ amerikanska ton). Vidare måste radiens för detta objekt vara mindre än 120 AU, annars skulle S2 kollidera med det.

Det bästa beviset hittills lämnades 2008 av Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics och UCLAs Galactic Center Group. Med hjälp av data som erhållits under en 16-årsperiod av ESO: s Very Large Telescope och Keck Telescope kunde de inte bara exakt uppskatta avståndet till centrum av vår galax (27 000 ljusår från jorden), utan också spåra stjärnorna i banorna där med enorm precision.

Som Reinhard Genzel sa teamledaren från Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics:

“Utan tvekan den mest spektakulära aspekten av vår långsiktiga studie är att den har levererat det som nu anses vara det bästa empiriska beviset för att supermassiva svarta hål verkligen existerar. Stjärnbanorna i Galactic Center visar att den centrala masskoncentrationen på fyra miljoner solmassor måste vara ett svart hål, över alla rimliga tvivel. ”

En annan indikation på Skytten A *: s närvaro kom den 5 januari 2015, då NASA rapporterade en rekordbrytande röntgenstrålning som kom från centrum av vår galax. Baserat på avläsningar från Chandra röntgenobservatorium rapporterade de utsläpp som var 400 gånger ljusare än vanligt. Dessa ansågs vara ett resultat av en asteroid som föll in i det svarta hålet, eller av sammankopplingen av magnetfältlinjer i gasen som strömmade in i det.

Andra galaxer:

Astronomer har också funnit bevis på SMBH i mitten av andra galaxer inom den lokala gruppen och därefter. Dessa inkluderar den närliggande Andromeda-galaxen (M31) och den elliptiska galaxen M32 och den avlägsna spiralgalaxen NGC 4395. Detta är baserat på det faktum att stjärnor och gasmoln nära centrum av dessa galaxer visar en observerbar ökning av hastigheten.

En annan indikation är Active Galactic Nuclei (AGN), där massiva utbrott av radio, mikrovågsugn, infraröd, optisk, ultraviolett (UV), röntgenstråle och gammastrålebandsband detekteras regelbundet från områdena med kallt material (gas och damm) ) i mitten av större galaxer. Medan strålningen inte kommer från själva svarta hålen, tros påverkan som ett så massivt föremål skulle ha på omgivande material vara orsaken.

Kort sagt, gas och damm bildar ackretionsskivor i mitten av galaxer som kretsar kring supermassiva svarta hål och gradvis matar dem materia. Den otroliga tyngdkraften i detta område komprimerar skivans material tills den når miljoner grader kelvin, vilket genererar ljus strålning och elektromagnetisk energi. En korona av hett material bildar också ovanför ackretionsskivan och kan sprida fotoner upp till röntgenenergier.

Interaktionen mellan det roterande magnetfältet SMBH och ackretionsskivan skapar också kraftfulla magnetiska strålar som avfyrar material över och under det svarta hålet med relativistiska hastigheter (dvs. med en betydande bråkdel av ljusets hastighet). Dessa strålar kan sträcka sig över hundratusentals ljusår och är en andra potentiell källa för observerad strålning.

När Andromeda-galaxen slås samman med vår egen på några miljarder år kommer det supermassiva svarta hålet som är i centrum att smälta samman med vårt eget och producera ett mycket mer massivt och kraftfullt hål. Denna interaktion kommer troligen att sparka flera stjärnor ur vår kombinerade galax (producerar skurkstjärnor) och kommer också sannolikt att få vår galaktiska kärna (som för närvarande är inaktiv) att bli aktiv en igen.

Studien av svarta hål är fortfarande i sin spädbarn. Och vad vi har lärt oss under de senaste decennierna har varit både spännande och häpnadsväckande. Vare sig de är lägre eller supermassiva är svarta hål en integrerad del av vårt universum och spelar en aktiv roll i dess utveckling.

Vem vet vad vi kommer att hitta när vi tittar djupare in i universum? Kanske en dag kommer vi tekniken, och ren mod, att existera så att vi kan försöka att toppa oss under en händelsehorisons slöja. Kan du föreställa dig att det händer?

Vi har skrivit många intressanta artiklar om svarta hål här på Space Magazine. Här är bortom alla rimliga tvivel: Ett supermassivt svart hål bor i centrum av vår galax, röntgenstrålningseko avslöjar supermassivt svart hål Torus, hur väger du ett supermassivt svart hål? Ta temperaturen och vad händer när supermassiva svarta hål kolliderar?

Astronomi Cast också några relevanta avsnitt om ämnet. Här är avsnitt 18: Black Holes Big and Small, och Episode 98: Quasars.

Mer att utforska: Astronomy Casts avsnitt Quasars och Black Holes Big and Small.

källor: