.nu

Skolearbeid og essays fra videregående skole
Søk skolearbeid

Black Holes

Emne: Fysikk
| Mer

InledningVad er virkelig et svart hull? Er det så viktig? I media har det vært snakk veldig mye om sorte hull siden oppdagelsen av disse. Sorte hull er uten tvil en av de mest fascinerende og interessante fenomener vi vet eksisterer. Men likevel vet vi så lite om dem.
Hvordan kan vi være sikker på at de er? De er som jeg sa svart, kan du ikke se dem.
Kan vi dra nytte av dem på noen måte?
Lett

Begrepet sorte hullet ble skapt i 1969 av den amerikanske forskeren John Wheeler. Det var ikke et nytt konsept, ideen går tilbake minst to århundrer, til en tid da det var to teorier om lys. Den ene, som Newton favorisert, var at lys besto av partikler, og den andre at den besto av bølger. I dag vet vi at både sanne takk til kvantemekanikk, kan lett ses på som både en bølge og en partikkel. Hvis lyset besto av bølger visste ikke hvordan, eller om, er det påvirket av tyngdekraften. Men hvis det besto av partikler vil bli påvirket så mye av tyngdekraften som en hvilken som helst annen sak. Det ble antatt at lyset reist uendelig fort og det er derfor lyset ikke ble berørt, men dette var ikke da en forsker ved navn Roemer oppdaget at lys reiste på en begrenset hastighet.
For de som trodde på den bølgeteori ikke var klart at lyset ville bli påvirket av tyngdekraften i det hele tatt. Faktum er at Newtons teori av tyngdekraften ikke kan brukes til å lette, fordi lys har alltid den samme hastighet. At lyset var påvirket av tyngdekraften og hvordan var ikke før Einstein presenterte sin relativitetsteori.
En stjernes livssyklus

For å forstå sorte hull, må vi først forstå en stjernes livssyklus. En stjerne som dannes når en stor mengde gass (for det meste hydrogen) kollapser, takket være tyngdekraften. Gass temperaturen øker etter hvert som de kommer nærmere hverandre, og det vil være flere kollisjoner. Til slutt blir temperaturen så stor at hydrogenatomene begynner å vokse sammen til å danne helium-atomer. Det er på dette stadiet at vår Sun ligger. Til slutt tar brensel ut og stjernen begynner å trekke seg sammen. Om Stjernen da veie mindre enn 1,4ggr masse av vår sol, får vi en hvit dverg. De blir stabile celle takket være noen som heter utelukkelse prinsipp. Dette er en kraft som jobbet mot tyngdekraften av disse stjernene og gjøre dem stabile. Utelukkelse Prinsippet er en frastøtende kraft mellom elektronene i atomene.
For stjerner som har masser større enn 1,4 solmasser, er det to alternativer. Den ene er at stjernen blir stabil takket være utelukkelse prinsippet mellom nøytroner og protoner i atomkjernene. Disse kalles nøytronstjerner. Det andre alternativet er hvis tyngdekraften av stjernen er så høy at ikke engang prinsippet utelukkelse stand til å holde opp stjernen. Det dermed dannes et sort hull.
Black Holes

En svart hull kan med letthet beskrives som et himmellegeme som har så mye tyngdekraft at dens flukt hastighet er høyere enn lysets hastighet. En svart hull har ingen radius. Gravity har squish all materie til ingen volum i det hele tatt. Det er en singularitet av uendelig massetetthet. Det sorte hullet har en blasfemi horisont. Dette kan tenkes som en radius, men det er egentlig en grense på det sorte hullet. Hendelseshorisonten skiller all kommunikasjon mellom det sorte hullet og utover. Alt som kommer inn i hendelseshorisonten slukt av det sorte hullet, inne hendelseshorisonten, er det ingen vei tilbake. Avstanden mellom det sorte hullet og hendelseshorisonten er avhengig av hullets gravitasjon.
Som vi vet, ingenting kan reise raskere enn lyset. Derfor aldri forsvinne enhver sak fra kroppen. Materie som kommer inni det sorte hullets hendelseshorisonten er trukket ned til singularitet av det svarte hullet sentrum, vokser det svarte hullet. Dermed svarte hull vokser, men ikke reduseres.
Gravitasjonsbølger og Black hole form

Einsteins generelle relativitetsteori forutsier at de virkelig tunge objekter som beveger seg vil kringkaste "bølger" i rom-tid, som reiser på lysets hastighet. Disse bølgene er lik lysbølger, men er mye vanskeligere å oppdage. Du kan vise dem ved skiftene av ulike partikler står fritt til å flytte. Du samtykker i dag å bygge varslere i USA, Europa og Japan for å måle dette. Akkurat som lysbølger som de bringer energi fra kilden. Man kan forvente at kilden så til slutt ville komme til å hvile.
Jordas bevegelse i sin bane rundt sola gir også opphav til gravitasjonsbølger. Energitap fra disse vil endre jordas bane rundt sola, slik at jorden vil gradvis nærmere den. Men siden energitapet er så liten (man kunne drive en varme ovn i tap), vil dette ikke betyr noe for oss, fordi det ville ta rundt tusen millioner millioner millioner millioner år for jorda å gå inn i solen. Jord kursendring er for liten til å kunne måles, men har sett lignende fenomener i stjernesystemet
PSR 1913 + 16 (dette er en pulsar). Systemet består av to nøytronstjerner bane rundt hverandre og energitapet på grunn av gravitasjonsbølger gjør dem vandre i en spiral mot hverandre, og de vil til slutt kolliderer.
I løpet av gravitasjons kollaps når en stjerne danner et svart hull, er bevegelsen mye høyere og stråling rate av gravitasjonsbølger er mye høyere. Det er derfor ganske fort for det å komme til en hviletilstand. Dette er stjernens siste etappen før det blir et svart hull.
1967 viste forsker Werner Israel til ikke-roterende svart hull struktur var veldig enkel. Han sa at det sorte hullet design er ikke i det hele tatt mente, på egenskapene til sin opprinnelige stjerne hadde (bortsett fra når massen selvfølgelig). De er helt sfæriske, og dens størrelse er bygget opp bare av sin masse. To svarte hull av like massene er derfor identiske. Mange følte at denne oppgaven ikke fungerer i det hele tatt fordi det sorte hullet så det må ha blitt dannet fra en perfekt sfærisk stjerne (som ikke er). Det var imidlertid en annen tolkning. Når det svarte hullet gikk gjennom sin siste fase, ble det perfekt sfærisk form utfallet av de mange gravitasjonsbølger. Når det kom til hvile objektet ville være helt sfærisk. Ifølge dette synet, alle de ikke-roterende stjerner, uansett form, ender opp med å bli en perfekt sfærisk kroppen og dens størrelse vil avhenge bare på sin masse. Teorien var begrenset til himmellegemer som ikke er rotert, men 1963 gjorde forskeren Roy Kerr, en samling av flere ligninger av Einsteins generelle relativitets beskriver roterende sorte hull. Hvis rotasjonen var null så ville det sorte hullet til å være helt sfærisk. Men hvis det er rotert, vil det "bule" ved polene. 1970 bekreftet denne teorien av bevis fra David Robinson. Alle sorte hull vil til slutt inn i en vilostånd hvor de kan rotere. Han viste seg også at dens form og størrelse var utelukkende på grunn av sin masse og dens rotasjonshastighet og ikke på egenskapene til sin stjerne hatt. Dette resultatet ble kjent som leveregel: ". En svart hull har ingen hår"
Hvordan oppdage Black Holes

Siden sorte hull har en så stor tyngdekraft at lyset ikke kommer fra dem vi ikke kan se dem. Men det finnes andre måter å oppdage sorte hull.
Lyset fra stjernene i nærheten av sorte hull bøye veldig mye om dem fordi de har så mye tyngdekraft. Hvis lyset kommer inne hendelseshorisonten, ser vi ikke, men hvis det bare kommer nær grensen, vil det være bøyd kraftig. Mange også hevde at hvis lyset kommer inn på en bestemt vinkel i hendelseshorisonten, vil det "gå" rundt det sorte hullet sammen hendelseshorisonten.
Den vanligste og trolig den enkleste måten å oppdage sorte hull er å se på sine nærliggende naboer. Man kan i noen steder ser hvor store stjernene dreie seg om en "usynlig" punkt. Det betyr ikke at det finnes sorte hull, kunne det ha vært en veldig svak stjerne. Men det kan bety at det er et sort hull. Et slikt system kalles Cygnus X-1. I dette tilfellet, ved hjelp av beregninger på den synlige himmellegeme bane vært i stand til å regne ut "usynlig" minimal masse, som i dette tilfellet var 6 solcelle massene. Dermed utelukker det er en svart dverg. Massen er også for stor til å protestere skal være en nøytronstjerne.
Vi antar nå at det finnes sorte hull i vår egen galakse, Melkeveien, som massen av stjernene vi ser i vår galakse er ikke nok til å gi galaksen rotasjon som den har. Vi mener også at det er sorte hull med en masse på rundt hundre millioner solmasser. For eksempel observasjoner med Hubble-teleskopet av galaksen M87 avdekket at det er en skiveformet galakse roterer rundt en sentral objekt som ikke kan være noe annet enn et sort hull. Materie faller inn et sted som dette super svart hull, gå ned mot hullet i en spiralbane (som når du la vannet ut av karet) og deretter få det sorte hullet roterer i samme hull. Dette induserer et magnetfelt som ligner på Jordens. Nær det sorte hullet vil danne høyenergi-substans av hendelses partikler. Magnetfeltet er så sterk at den "kaster" denne saken rett ut fra disken formet galakse. Dette har blitt observert i mange galakser og kvasarer.
En måte å observere sorte hull er å måle gravitasjonsbølger, dette er ikke fullt mulig i dag, men vi tror det vil være det i nær fremtid.
Sorte hull miniatyr

Man kan tenke seg muligheten for at det er mye mindre sorte hull, som har mindre masse enn vår egen solen. Slike hull kan ikke være dannet av en gravitasjons kolapps ettersom massen er under Chandrasekhars grense. Miniatyr sorte hull kan dannes bare hvis saken er komprimert av ytre press. Ifølge John Wheeler ville danne en miniatyr svart hull hvis du tok alle de tunge hydrogen i verdenshavene og gjort en stor hydrogenbombe det. Det antas at det har dannet seg mange av disse små svarte hull i universet tidlig stadium. Tilsynelatende selv big bang ville ha nok kraft til å komprimere massen slik at det dannet miniatyr sorte hull. Mange forskere mener at det er flere miniatyrbilder av sorte hull enn de "vanlige" sorte hull.
Bruken av sorte hull

Dersom det i fremtiden kunne "fange" en miniatyr av et svart hull av sin tyngdekraft ville være i stand til å tjene en masse av det. Siden all materie som beveger seg ned mot et sort hull avgir energi. Energiproblemer vil for alltid blitt løst.
Et annet scenario kan være at vi "bump" i et svart hull i orbital bane rundt jorden (en svært liten miniatyr sorte hull), så vil vi sende deg en konstant strøm av hydrogen lett berører på sitt hendelseshorisonten. Hydrogenet vil da bli oppvarmet til sammensmelting, takket være den tidevannseffekt og på den annen side, helium. Dette er da den enkleste og sikreste mulig kjernefysisk fusjon reaktoren, og energi kan lagres og sendes ned til Jorden.
Ormehull

Tidsreiser har lenge fascinert menneskeheten. På 1950-tallet var det mange forskere som forsket nettopp det. Noe som har fascinert oss er om det er mulig å reise til avsidesliggende steder raskt. Ifølge Einsteins teorier kan ikke fördas raskere enn lyset. En trøst, men å bli kjent som Twin Paradox, noe som betyr at hvis du reiser med lysets hastighet, står tiden stille. Relativitetsteori antyder imidlertid at hvis du reiser raskere enn lyset så reiser tilbake i tid. Problemet er da at jo nærmere lysets hastighet du får, jo sterkere du blir påvirket av, og du vil aldri gi opp lysets hastighet. Som kan sammenlignes med å dele et århundre med to. Du kommer nærmere og nærmere null, men du aldri nå den.
Dette synes å utelukke både rask romfart og reise tilbake i tid. Men det er en annen mulighet. Hvis man kan deformere romtid slik som å lage en snarvei mellom to punkter i rommet, et ormehull. På denne måten kan man reise raskere mellom to punkter i rommet. Men det vil også tillate tidresor. Ormehull er ikke noe som science fiction-forfattere har kommet opp, men det var Einstein og Nathan Rosen som i 1935 skrev et essay om noe de kalte "broer", som i dag er kjent som ormehull. Men de sa også at alle som reiste gjennom hullet ville renne rett inn i en singularitet, et sort hull. Det ville heller ikke være i stand til å holde ormehullet åpen lenge nok.
Konklusjoner

At svarte hull eksisterer, de fleste er enige. Mange hevder i seg selv er fortsatt at sorte hull ikke eksisterer, og at det er usikkert fordi det meste av det er om sorte hull ikke er basert på observasjon, men heller på matematiske beregninger. Forskningen på sorte hull er trolig den første i historien som har gått på denne måten med de riktige beregninger tidligere observasjoner. Jeg tror at de sorte hullene vil bli det som blir forsket på i fremtiden.
Mange av dem som tror at universet ble skapt ut av Big Bang tror også at det vil ende i en stor knase, en stor sammentrekning. Mye av teoriene om hvordan nettopp sorte hull ikke kan ødelegge, og hvordan all materie i universet som man følger ulike sorte hull og hvordan de til slutt kolliderer med hverandre til det bare er ett stort svart hull med all massen i universet. Men vi lever i en tid da det er lagt, det ting til hva som er allment akseptert, og det stadig faller av tingene som ble allment akseptert. Nå er det diskutert hvorvidt universet er flatt. Og kanskje dette kan bidra til å lyse opp bildet vi har av universet. Personlig tror jeg ikke at svarte hull er "udødelig" (eller kanskje jeg ønsker ikke å tro det?!) At universet ender med en stor knase, tror jeg ikke på. Mennesket er en ivrig skapning, vi prøver alltid å forstå alt. Vi får "spor" fra alle andre fag, men kan ikke fatte det, må vi forene vitenskap!
Å spekulere på saker universets skjebne er mer enn vi kan håndtere, må vi ta en liten bit om gangen for å se det store bildet. Svarene er der, vi må bare stille de riktige spørsmålene.

Av: Isaac Fahlin

based on 20 ratings Sorte hull, 2.9 av 5 basert på 20 rangeringer
| Mer
Sats Black Holes


Relatert skolearbeid
Følgende er skoleprosjekter håndtere Sorte hull eller på annen måte knyttet til Black Holes.

Kommentar på Black Holes

« | »