Diesupermassiewe swartkolk in die middel van die grootelliptiese sterrestelselMessier 87 in die sterrebeeldMaagd. Sy massa is na raming miljarde kere so groot soos die Son s'n.[1] Dit is die heel eerste swartkolk wat regstreeks afgeneem is, deur die Event Horizon Telescope. Die foto is op 10 April 2019 uitgereik.[2] Die halfmaanvormige emissiering en sentrale skaduwee kan gesien word. Dit is ’n gravitasioneel vergrote beeld van die swartkolk se fotonring en die fotonvangsgebied van sy waarnemingshorison. Die halfmaanvorm is ’n gevolg van die swartkolk se rotasie enrelativistiese verheldering; die skaduwee se deursnee is sowat 2,6 keer dié van die waarnemingshorison.[3]
’nSwartkolk (soms ook bekend as ‘nswartgat ofgravitasiekolk) is 'n plek in die ruimte waar swaartekrag so sterk is dat selfs lig nie kan uitkom nie. Die swaartekrag is so sterk omdat materie in 'n klein spasie ingedruk is.[4] Vanuit die teorie vanalgemene relatiwiteit word bereken dat 'n swartkolk sal vorm waar ’n massa so dig saamgepers is dat dit dieruimtetyd genoegsaam verwring.[5][6] Die grens van die streek waaruit niks kan ontsnap nie word diewaarnemingshorison genoem. Hoewel die waarnemingshorison ’n enorme uitwerking het op die lot en omstandighede van ’n voorwerp wat dit verbysteek, lyk dit of geen uitwerking daar waargeneem word nie.[7] In baie opsigte tree ’n swartkolk as ’n idealeswartstraler op omdat dit geen lig weerkaats nie.[8][9]
’n Simulasie van ’n swartkolk wat as ’ngravitasielens optree en die beeld van die sterrestelsel op die agtergrond verwring.
John Michell enPierre-Simon Laplace het in die 18de eeu die eerste keer die moontlikheid genoem van swaartekragvelde wat so sterk is dat lig nie kan ontsnap nie.[10] Vir ’n lang tyd is swartkolke beskou as ’n wiskundige rariteit; dit was in die 1960's dat teoretiese werk gewys het hulle is ’n voorspelling van algemene relatiwiteit. Die ontdekking vanneutronsterre in 1967 het belangstelling gewek in kompakte, deur swaartekrag saamgepersde voorwerpe as ’n moontlike astrofisiese werklikheid.
Swartkolke met ’n stergrootmassa vorm na verwagting wanneer baie swaarsterre aan die einde van hul lewensiklus instort. Nadat ’n swartkolk ontstaan het, kan dit aanhou groter word deur massa uit sy omgewing op te neem. Deur ander sterre op te neem en met ander swartkolke saam te smelt kansupermassiewe swartkolke van miljoenesonmassas ontstaan.
Daar is algemene konsensus onder wetenskaplikes dat supermassiewe swartkolke in die middel van die meestesterrestelsels voorkom.
Die teenwoordigheid van ’n swartkolk kan afgelei word uit die wisselwerking met andermaterie en metelektromagnetiese straling soos sigbare lig. Materie wat om ’n swartkolk saampak, kan ’n eksterneakkresieskyf vorm wat deurwrywing verhit word en een van diehelderste voorwerpe in die heelal vorm. As ander sterre om ’n swartkolk wentel, kan hullewentelbane gebruik word om die swartkolk se massa en ligging te bepaal. Sulke waarnemings kan gebruik word om moontlike alternatiewe, soos neutronsterre, uit te skakel. So hetsterrekundiges talle stellêre swartkolkkandidate indubbelsterstelsels geïdentifiseer, en vasgestel dat die radiobron bekend asSagittarius A*, in die middel van dieMelkweg, ’n supermassiewe swartkolk van sowat 4,3 miljoen sonmassa bevat.
Op 11 Februarie 2016 het dieLIGO-medewerkers die eerste regstreekse waarneming vanswaartekraggolwe aangekondig, wat ook die eerste waarneming van ’n samesmelting van swartkolke was.[11] Teen Desember 2018 is 11 swaartekraggolfvoorvalle waargeneem wat ontstaan het uit 10 samesmeltende swartkolke (asook een dubbelneutronster-samesmelting).[12][13] Op 10 April 2019 is die eerste regstreekse foto van ’n swartkolk en sy omgewing gepubliseer ná waarnemings deur dieEvent Horizon Telescope in 2017 van die supermassiewe swartkolk in die middel vanMessier 87.[3][14][15]
’n Gesimuleerde voorstelling van ’n swartkolk voor dieGroot Magellaanse Wolk. Die gravitasielenseffek skep twee groot maar hoogs verwronge beelde van die wolk. Oor die bokant verskyn die skyf van die Melkweg, verwring in ’n boog.
Die idee van ’n liggaam wat so groot is dat nie eens lig kan ontsnap nie, is deur die Engelse sterrekundepionier John Michell voorgestel in ’n brief wat in November 1784 gepubliseer is. Volgens Michell se simplistiese berekenings sou so ’n voorwerp dieselfde digtheid as dieSon kon gehad het, en hy het afgelei so ’n liggaam sou vorm as die ster se deursnee dié van die Son met ’n faktor van 500 oorskry en die oppervlak seontsnappingsnelheid groter is as die gewoneligsnelheid. Michell het korrek opgemerk sulke massiewe maar niestralende liggame sou opgespoor kon word deur hul swaartekraginvloed op nabygeleë sigbare voorwerpe.[16][10][17]
Geleerdes van dié tyd was aanvanklik opgewonde oor die gedagte van reusagtige maar onsigbare sterre wat om ons is, maar nie gesien kan word nie. Dit het egter afgeneem nadat die golfeienskappe van lig in die vroeë 19de eeu bekend geraak het.[18] Hulle het gereken as lig ’n golf is en nie ’ndeeltjie nie, is dit onduidelik watter invloed swaartekrag op ontsnappende lig kon hê, indien enige.[10][17] Moderne relatiwiteit trek Michell se idee in twyfel dat ’n ligstraal wat direk van ’n ster se oppervlak af skyn, deur die ster se swaartekrag vertraag word, stop en dan weer op die oppervlak terugval.[19]
'n Afbeelding van 'n swartkolk met 'n metgeselster (geel) wat syRoche-lob gevul het. Gas uit die metgesel val na die swartkolk en vorm 'n akkresieskyf (blou). 'n Deel word loodreg met baie energie uitgespu in die vorm van fonteine aan beide pole.
Albert Einstein se teorie vanalgemene relatiwiteit beskryf hoe driedimensionale ruimte gekrom word in 'n vierde dimensie hoe groter die massadigtheid. Indien die massadigtheid 'n sekere perk oorskry, word die ruimte sodanig gekrom dat invallende materiaal (selfs ook ligstrale) vir ewig binne die ruimtegebied sal rondreis en nooit weer in ons driedimensionale ruimte 'n verskyning sal maak nie.
Om hierdie begrip te visualiseer, dink aan 'n tweedimensionale, plat vel papier. Rol nou een sy van die papier in 'n klein sirkel om, sodat die res van die papier nog plat bly en net een kant nou 'n pyp vorm. Ons driedimensionale ruimte kan nou as die res van die papier gesien word. Ligstrale kan op hierdie papier voorgestel word as reguit lyne. Enige lyne wat op die plat gedeelte van die papier getrek word in die rigting van die opgerolde sy sal mettertyd in die pyp ingaan en dan vir ewig daarbinne rond en rond maal. In hierde voorstelling is die opgerolde sy gekrom in 'n ekstra dimensie. Die wand van die pyp is 'n analoog vir die begrip van 'n waarnemingshorison wat 'n membraan is op 'n afstand rondom diemassamiddelpunt van die swartkolk.
Die teorie voorspel dat daar by die massamiddelpunt self moontlik 'n oneindige digtheid bereik kan word. Dit staan bekend as 'nsingulariteit. Einstein self het nie aan hierdie voorspelling geglo nie, en was oortuig dat sy teorie onvoltooid was, omdat sulke oneindighede volgens hom nie in die natuur sou bestaan nie.
'n Ander voorspelling van Einstein is dat tyd al hoe stadiger verbygaan namate 'n swaartekragveld toeneem. Dus, hoe nader 'n invallende partikel aan die singulariteit beweeg, hoe stadiger beweeg dit. Geen partikel kan dan ooit die massamiddelpunt bereik nie, want 'n oneindige tyd sal daarvoor nodig wees.
'n Voorgestelde afbeelding van 'n swartkolk van sowat 10 sonmassas, soos op 'n afstand van 600 km gesien.
Volgenskwantummeganika ontstaan virtuele partikelpare egter spontaan en gedurig regoor die heelal, en vernietig mekaar 'n kort rukkie later wedersyds. Só bly die netto energie van die heelal konstant, maar fluktueer steeds in die ultrakorttermyn. In 1974 hetStephen Hawking wiskundig bewys dat van hierdie virtuele partikels spontaan so sal ontstaan dat een binne die waarnemingshorison is, terwyl die ander een buite die membraan is. Weens die ruimtekromming kan die twee nou nooit bymekaar uitkom om mekaar te vernietig nie. Dus eindig een partikel met positiewe energie in onsdriedimensionale ruimte terwyl die ander een met negatiewe energie in die swartkolk bly, waar dit met 'n ander partikel sal bots en die twee mekaar vernietig. So verloor die swartkolk dan 'n partikel in die proses. Na 'n voldoende lang tyd (en sover ons kennis strek, kan die heelal vir ewig bestaan) sal al die partikels binne die swartkolk so vernietig word.
Daar is genoegsame sterrekundige waarnemings vansupernovas enX-straaluitstraling uit kerns van sterrestelsels om geloofwaardigheid te verleen aan die bestaan van swartkolke.
Verborge swartkolke op foto's deur 'n verskeidenheid ruimteteleskope.
Die modernerstringteorie voorspel egter dat die vibrerende stringe van materiepartikels wat binne die waarnemingshorison inval, sal kombineer om langer stringe te vorm. Hoe langer die stringe, hoe komplekser die vibrasies en vorms wat dit kan aanneem binne 'n gegewe ruimte. Een afleiding hieruit is dat daar nie 'n singulariteit sal ontstaan nie, maar dat die massa en energie binne die waarnemingshorison min of meer eweredig verspreid sal wees.
Die moeilikheid met die waarneem van swartkolke in die heelal is dat hulle weens hul sterk swaartekragvelde geen lig kan uitstraal nie. Waarnemings van hierdie hemelliggame geskied gevolglik indirek, waar moontlik, byvoorbeeld deur die gedrag van sterre in die onmiddellike omgewing te bestudeer.
Gas van 'n nabye ster word na die swartkolk aangetrek en beskryf 'n baan om die kolk heen, wat 'n sogenaamde akkresieskyf (aangroeiskyf) vorm. Aangesien die materie aan die binnekant van die skyf vinniger draai as die lae wat verder geleë is, ontstaan wrywing. Hierdie wrywing veroorsaak röntgenstraling, wat met 'n röntgenteleskoop waargeneem kan word. Die bestaan van ander swartkolke word afgelei uit die bewegings van een enkele ster of 'n dubbelster wat om iets heen wentel wat onsigbaar is.
In die middel van die Melkweg word waarskynlik 'n swartkolk aangetref:Sagittarius A*. Die massa hiervan kan bepaal word deur die bane van die sterre te bestudeer wat hulle in die omgewing van die middel van die Melkweg bevind. Die kolk word op ongeveer 3,7 miljoensonmassas geskat.
In die omgewing van 'n swartkolk word nuwe sterre gevorm.[20]
Swaartekraginstorting vind plaas wanneer ’n liggaam se internedruk nie meer genoeg is om die liggaam se swaartekrag teen te werk nie. By sterre gebeur dit gewoonlik óf wanneer die ster nie meer genoeg "brandstof" het om sy temperatuur deurnukleosintese te handhaaf nie óf omdat ’n ster wat stabiel sou gewees het materie op so ’n manier bykry dat dit nie sy kerntemperatuur laat styg nie. In albei gevalle is die ster se temperatuur nie hoog genoeg om te keer dat dit onder sy eie gewig instort nie.[21]
Die instorting kan gekeer word deur dieontaardingsdruk van die ster se bestanddele wat die kondensasie van materie in ’n eksotiese digter toestand teweegbring. Die gevolg is een van verskeie soorte kompakte sterre. Watter soort vorm, hang af van die massa van die oorblyfsel van die oorspronklike ster nadat die buitenste lae weggeblaas is. Sulke ontploffings en pulsasies lei totplanetêre newels.[22] Hierdie massa kan aansienlik kleiner wees as dié van die oorspronklike ster. Oorblyfsels wat meer as5 M☉ (5 sonmassas) is, word geskep deur sterre wat voor hulle instorting meer as20 M☉ was.[21]
As die massa van die oorblyfsel meer as sowat3 M☉ tot4 M☉ is, (dieTolman-Oppenheimer-Volkoff-limiet)[23], is die ontaardingsdruk vanneutrone nie eens genoeg om die instorting te keer nie – of dit was omdat die ster aanvanklik ’n groot massa gehad het of omdat die oorblyfsel bykomende massa vergader het deur die akkresie van materie. Niks is kragtig genoeg om die instorting te keer nie.[21]
Die instorting van swaar sterre (met ’n groot massa) is vermoedelik verantwoordelik vir die vorming van swartkolke met die massa van ’n ster. Stervorming in die vroeë heelal kon gelei het tot baie swaar sterre, wat ingestort en swartkolke van tot103 M☉ gevorm het. Hierdie swartkolke kon die saad gewees het vir die supermassiewe swartkolke in die middel van die meeste sterrestelsels.[24]
Daar is ook al voorgestel supermassiewe swartkolke met massas van meer as ~105 M☉ kon gevorm het ná die direkte instorting van gaswolke in die jong heelal.[25] Kandidate vir sulke voorwerpe is gevind in waarnemings van die vroeë heelal.[25]
Swartkolke kan groot of klein wees. Wetenskaplikes dink die kleinste swartkolkies is so klein soos net een atoom. Hierdie swartkolkies is baie klein, maar het die massa van 'n groot berg.
Wanneer ’n swartkolk ontstaan, kan dit aanhou groter word deur die opneming van bykomende materiaal. Enige swartkolk sal voortdurend gas en stof uit sy omgewing absorbeer. Dit is vermoedelik die hoofmanier waarop supermassiewe swartkolke ontstaan.[24] Swartkolke kan ook met ander voorwerpe soos sterre of selfs ander swartkolke saamsmelt. Dit is vermoedelik belangrik in die vroeë aangroeiing van supermassiewe swartkolke, wat kon gevorm het deur die opneming van kleiner voorwerpe.[24]
↑Oldham, L. J.; Auger, M. W. (Maart 2016). "Galaxy structure from multiple tracers - II. M87 from parsec to megaparsec scales".Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.457 (1): 421–439.arXiv:1601.01323.Bibcode:2016MNRAS.457..421O.doi:10.1093/mnras/stv2982.
↑10,010,110,2Montgomery, Colin; Orchiston, Wayne; Whittingham, Ian (2009). "Michell, Laplace and the origin of the black hole concept".Journal of Astronomical History and Heritage.12 (2): 90–96.Bibcode:2009JAHH...12...90M.
↑Bouman, Katherine L.; Johnson, Michael D.; Zoran, Daniel; Fish, Vincent L.; Doeleman, Sheperd S.; Freeman, William T. (2016). "Computational Imaging for VLBI Image Reconstruction".2016 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). pp. 913–922.arXiv:1512.01413.doi:10.1109/CVPR.2016.105.hdl:1721.1/103077.ISBN978-1-4673-8851-1.
↑Michell, J. (1784). "On the Means of Discovering the Distance, Magnitude, &c. of the Fixed Stars, in Consequence of the Diminution of the Velocity of Their Light, in Case Such a Diminution Should be Found to Take Place in any of Them, and Such Other Data Should be Procured from Observations, as Would be Farther Necessary for That Purpose. By the Rev. John Michell, B.D.F.R.S. In a Letter to Henry Cavendish, Esq. F. R. S. and A. S".Philosophical Transactions of the Royal Society.74: 35–57.Bibcode:1784RSPT...74...35M.doi:10.1098/rstl.1784.0008.JSTOR106576.{{cite journal}}:Ongeldige|ref=harv (hulp)
↑Crass, Institute of Astronomy – Design by D.R. Wilkins and S.J."Light escaping from black holes".www.ast.cam.ac.uk (in Engels).Geargiveer vanaf die oorspronklike op 6 Julie 2019. Besoek op10 Maart 2018.
↑25,025,1Pacucci, F.; Ferrara, A.; Grazian, A.; Fiore, F.; Giallongo, E. (2016). "First Identification of Direct Collapse Black Hole Candidates in the Early Universe in CANDELS/GOODS-S".Mon. Not. R. Astron. Soc.459 (2): 1432.arXiv:1603.08522.Bibcode:2016MNRAS.459.1432P.doi:10.1093/mnras/stw725.
