CRNE RUPE i singularitet. Zavisnost gravitacije od mase

[spain]

Kako objašnjavate singularitet i crne rupe, uzimajući u obzir zavisnost gravitacije od mase tela/čestica?

[vlaiv]

Nisam siguran da u potpunosti razumem pitanje, ali hajde ovako da probamo.

I u Njutnovoj gravitaciji, gravitaciona sila zavisi od udaljenosti od centra mase. Na nas ne deluje ista sila gravitacije ako stojimo na površini zemlje, stojimo na 8km iznad nivoa mora na Everestu ili smo možda 400Km iznad nivoa mora u orbiti oko zemlje.

Ništa se ne bi promenilo ni da se zemlja "naduva" tako da joj je poluprečnik 400km veći (masa ista a gustina manja). Tada bi ista gravitaciona sila delovala na nas na površini kao što sad deluje na nekog 400km iznad zemlje.

Ovo nam govori da gravitacija ne zavisi samo od mase nego i od udaljenosti. To smo mogli da zaključimo i iz Njutnove gravitacije - gde u formuli figuriraju: masa, udaljenost i gravitaciona konstanta.

Posmatrajmo sada gravitacionu silu na površini nekog tela - ako to telo sabijamo da bude manje i gušće. Masa ostaje ista, ali se udaljenost do centra tog tela smanjuje.

Gravitaciona sila na površini raste. U niskoj gravitaciji možemo napraviti toranj od pene i on će stojati uspravno. U polju veće gravitacione sile to nije moguće i taj toranj pada - sile unutar tornja nisu u stanju da se odupru gravitaciji.

To se dešava i na zemlji - ne možemo da pravimo visok toranj samo od cigala i betona. Moramo da dodamo i čelik / armaturu da bi se toranj odupro sili gravitacije.

Kako smanjujemo prečnik tela i povećava se sila gravitacije - više ni tornjevi sa armiranim čelikom ne mogu da stoje uspravno.

Kako idemo dalje, gravitacija postaje toliko jaka da ni molekuli ne mogu da ostanu u komadu, posle nekog vremena ni atomi ne mogu da ostanu u komadu (neutronska zvezda). Na kraju ni neutroni ne mogu da se odupru pritisku i dolazi do kolapsa u crnu rupu.

Sve vreme smo smanjivali distancu do centra mase. Za nekog ko je stajao na istoj udaljenosti, budući da se masa nije menjala - za njega se ništa nije promenilo. On oseća istu gravitaciju.

Mnogi pogrešno misle (zahvaljujući lošim objašnjenjima iz časopisa) da crna rupa usisava sve pred sobom, ali to nije tačno (bar ne u ovom smislu). Kada bi se naše sunce pretvorilo u crnu rupu na neki način sada (neki mehanizam ga dovoljno stisnuo da pređe kritičnu gustinu) mi to ne bi smo osetili gravitaciono. Zemlja bi nastavila da kruži oko te crne rupe po istoj orbiti. Jedino bi nestalo svetla i toplote ali gravitaciono bi bilo sve isto (ni ovo nije 100% tačno jer postoje propratni efekti naglog sažimanja tipa gravitacioni talasi i slično ali u principu bi ostalo sve isto).

To je što se tiče crnih rupa. Znači nije samo masa nego i rastojanje i u konkretnom slučaju gustina kao funkcija mase i rastojanja odnosno prečnika.

Što se tiče singulariteta - to je matematički pojam. Singularitet nema fizičku realnost odnosno, možda i ima ali sigurno nije takav kakvim ga matematika opisuje.

Unutrašnjost crne rupe je kauzalno odvojena od nas i mi nikada ne možemo saznati šta ima u crnoj rupi. Horizont događaja zapravo "cepa postojanje" na dva.

Nešto može postojati ili unutra ili van horizonta događaja ali kad si na jednoj strani - za tebe ono drugo ne postoji.

Mi koji smo ovde - mi nikada nećemo "upasti" u crnu rupu. Odnosno, da budem precizniji, za nas koji smo na ovoj strani horizonta događaja - nikada ništa neće upasti u crnu rupu (kako se nešto približava - njemu sve sporije i sporije teče vreme u odnosu na nas i ne samo to nego će i polagano prestati da bude vidljivo jer će sva svetlost koja se odbija od njega biti prvo infra crvena pa onda radio talas i na kraju jako duge talasne dužine koje se više ne mogu ni detetektovati - kao da je isčezao iz postojanja pre nego upao u crnu rupu - odnosno da isčezava do kraja vremena - vrlo čudan koncept zar ne?).

Za onog ko stvarno upada u crnu rupu - ceo univerzum će se "završiti" pre nego što on upadne u crnu rupu i onda nema nazad jer je već sve gotovo.

Naravno, ovo su sve matematički modeli, odnosno interpretacija onog što nam matematički modeli govore. Ti modeli jako dobro funkcionišu u svim drugim slučajevima, jedino nismo sigurni koliko su pouzdani na ivici crne rupe (za sada sve govori da su i tamo pouzdani).

 

[spain]

Nisam strucna u svemu ovome, skoro sam pocela da se zanimam za astronomiju pa sam sa fizike i hemije na molekulskom i atomskom nivou (koje sam takodje pocela skoro da ucim) presla na vece stvari.

Uglavnom, koliko znam, gravitacija ne moze da postoji bez nekog tela (cestice)? Jer onda bi i crna rupa morala da sadrzi odredjene cestice s obzirom da postoji gravitacija. Na to sam mislila kad sam napisala zavisnost gravitacije od mase.

Medjutim, ako u crnoj rupi ima cestica, pod dejstvom medjusobnog gravitacionog privlacenja, sve te cestice bi se sve vise sabijale i sto je gustina veca, cestice bi se cesce i brze sudarale.

U slucaju gasova (vodonik), prilikom povisenja temperature atomi se u jednom trenutku vise ne bi sudarali, vec bi obrazovali vece atome (helijum), a tom prilikom se oslobadja velika kolicina energije sto bi znacilo da bi ponovo nastala zvezda.

U slucaju samo elementarnih cestica, pretpostavljam da bi opet vremenom doslo do neke promene, zbog gravitacije, kao sto dolazi  prilikom formiranja zvezde (?).

(Moj izvor informacija je internet, tako da gde gresim ispravite me)



Takodje, pre neki dan sam procitala (nisam cak ni sigurna da li sam lepo procitala) da crna rupa "nestaje" kada maglina dodje do nje, tj. kada "proguta" maglinu, je l' moze objasnjenje? To je i jedino sto sam nasla o "nestajanju" crne rupe.

[vlaiv]

Ah, razumem.

Odmah da napomenem da ni ja nisam stručnjak iz ove oblasti.

Pričamo o evoluciji zvezda.

Da, na početku pritisak pod uticajem gravitacije postaje dovoljno velik da dolazi do fuzije vodonika u helijum. To je prva faza.

U zavisnosti od ukupne mase zvezde, ovaj proces može da ide do gvožđa. Evo jednog dijagrama, kako to izgleda:



Ovo inače nije uobičajen proces evolucije zvezde. Većina zvezda je na takozvanoj glavnoj sekvenci i njihova evolucija je drugačija.

Evo dva interesantna linka:

https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_evolution

i "zvezda u kutiji":

https://starinabox.lco.global/

(zgodna aplikacija da posmatraš promene / evoluciju zvezde u zavisnosti od početne mase).

U jednom trenutku gravitacija postane dovoljno velika da se formira neutronska zvezda. To je momenat kada gravitacija nadjača elektromagnetnu silu i elektroni i protoni više ne mogu da formiraju atome - ostaju samo neutroni.

Na neutronskim zvezdama već imamo ozbiljno izražene relativističke efekte (dilatacija vremena i slično).

Sledeći stepen je crna rupa.

Inače što se gravitacije tiče, stvari su malo komplikovanije od "stavi neke čestice na gomilu i dobićeš gravitaciju".

Naše trenutno razumevanje gravitacije se otprilike svodi na rečenicu: Prisustvo materije i / ili energije zakrivljuje prostor-vreme.

To znači da nisu samo čestice te koje doprinose gravitaciji. I energija doprinosi isto i postoji ekvivalencija između to dvoje - čuvena E=mc2. To takođe znači i da planeta koja se vrti oko svoje ose ima veću gravitaciju nego planeta iste mase koja se ne vrti oko svoje ose.

Na kraju da se osvrnem i na isparavanje crnih rupa. To je vrlo komplikovana tema. U pitanju je Hokingova radijacija koja je posledica kvantno mehaničkih procesa na samom horizontu događaja.

Vrlo uprošćeno - u vakuumu se stvaraju parovi čestica / antičestica koji se zatim i poništavaju. To se dešava vrlo brzo tako da nije narušen Hajzenbergov pricip neodređenosti (energija-vreme relacija) i između ostalog zbog toga postoji majonez i Kazimirov efekat.

Kada se to desi na horizontu događaja - jedna čestica upada u crnu rupu a druga izleće napolje. Ova što je izletela napolje ima neku energiju i po zakonu održanja energije - ona što je upala mora imati negativnu energiju (spram nas posmatrača u ovom svemiru) i samim tim smanjuje ukupnu energiju crne rupe.

Problem je što je temperatura crne rupe obrnuto proporcionalna ukupnoj masi crne rupe i mi za sada znamo samo za masivne crne rupe - što znači da im je temperatura vrlo niska.

Budući da je svuda oko nas mikrotalasno pozadinsko zračenje - ono drži crne rupe u "termalnom ekvilibrijumu" - jer je mnogo toplije (iako je samo vrlo hladno oko 2.73K, masivne crne rupe so jos hladnije) i mi jednostavno ne možemo detektovari ovo isparavanje crnih rupa jer je vrlo niske energije.

[Yagodinac]

U slucaju gasova (vodonik), prilikom povisenja temperature atomi se u jednom trenutku vise ne bi sudarali, vec bi obrazovali vece atome (helijum), a tom prilikom se oslobadja velika kolicina energije sto bi znacilo da bi ponovo nastala zvezda.

Nisam ni ja ekspert, ali ako imamo veoma gusto napakovanu materiju, odnosno crnu rupu, tu struktura materije kakvu poznajemo ne postoji. Zapravo, već ni u neutronskoj zvezdi ne postoji atom kao atom, tako da neće biti ni bilo kakve fuzije. I na kraju, sva energija koja bi se tom prilikom oslobodila, a gde je materija tu je i energija; ostala bi zarobljena gravitacijom - čak i svetlost je zarobljena u crnoj rupi. Tako da čak i da postoji nekakva fuzija tamo, a ne bi trebalo; ili fisija ili bilo šta drugo - to ostaje tamo.

Analogija sa evolucijom zvezda stoji samo do jedne mere, budući da su crne rupe mnogo gušće nabijene u svom centru, premda horizont događaja masivne crne rupe može da bude jako daleko od njenog centra i ispod horizonta i iznad u akrecionom disku gustina ne mora da bude velika. Dakle, materija pre nego što padne u crnu rupu prvo se vrlo efektno samelje i sruši se njena molekulska struktura, pa tek potom upada.

Ovo za magline prvi put čujem. Galaktička crna rupa ima mnogo veću masu od bilo koje magline i to bi sigurno predstavljalo uobičajen obrok za nju, ali ostaje pitanje šta će maglina toliko blizu centru, to još nismo videli. Drugim rečima, crna rupa bi razvukla maglinu kao glistu pre nego što joj se i približi.

[DraganTesic]

Хоукинг је направио модел "испаравања" малих црних рупа. Тиме изазвана промена гравитационог поља омогућава "материјализацију" виртуалне честице из вакума и тако даље...

Претпостављам да се око "испаравајуће" црне рупе онда ствара маглина?

Све у свему о црним рупама могу рећи само: "Којешта".

[Yagodinac]

Претпостављам да се око "испаравајуће" црне рупе онда ствара маглина?

Pa ne, sve o strukturi crne rupe što znamo to je da na polovima crne rupe postoje džetovi/mlazevi izbačene materije koji se kreću značajnim procentom brzine svetlosti i po tome mi danas najlakše detektujemo crne rupe, pošto se to vidi čak i vizuelno (evo amaterskog džeta M87 vidljivog na 2h). Upravo na džetove imamo, dakle oko ekvatora, akrecioni disk koji se vidi na nekim drugim frekvencijama; ali u blizini nemamo nikakve magline - osim možda tamo na krajevima džetova koji često svojim dimenzijama prevazilaze matične galaksije.

Svakako proces "stvaranja" materije na horizontu događaja je neuporedivo minorniji od procesa usisavanja materije u crnu rupu.

[DraganTesic]

Поглеадао сам слику и нешто сам видео, али не знам шта.

Чини ми се да и неутронске звезде у двојним системима исто тако "изгледају"? Како их разликовати од црних рупа?

Погледај моју омиљену професорку Лору. Због ње сам хтео да научим квантну механику, али ми нешто није ишло. Не знам зашто.

https://www.youtube.com/watch?v=qBfo4SNZq7I

[vlaiv]

Поглеадао сам слику и нешто сам видео, али не знам шта.

Чини ми се да и неутронске звезде у двојним системима исто тако "изгледају"? Како их разликовати од црних рупа?

Погледај моју омиљену професорку Лору. Због ње сам хтео да научим квантну механику, али ми нешто није ишло. Не знам зашто.

https://www.youtube.com/watch?v=qBfo4SNZq7I

To što si video na gornjoj slici je amaterska slika ovog:



U pitanju je relativistički mlaz koji nastaje kao posledica kretanja elektrona u akrecionom disku neverovatnim brzinama (blizu brzine svetlosti) što stvara izuzetno jako magnetno polje i katapultira okolnu naelektrisanu materiju u vidu ogromnog mlaza - koji se proteže oko 5000 svetlosnih godina.

Tako nešto je moguće samo ukoliko je u centru te galaksije supermasivna crna rupa, odnosno gustina materije mora biti tolika da je jedino objašnjenje objekat koji ima svojstva crne rupe.

To je jedan od posrednih dokaza za postojanje supermasivne crne rupe u M87.

Drugi, je naravno slika regiona oko te crne rupe:



Usput, neutrosnke zvezde su pulsari i ima ih svuda naokolo, ali niko jos nije uspeo da napravi razlučenu sliku neutronske zvezde jer im je prečnik vrlo mali - oko 10tak kilometara.

Pored pulsara, ima i drugih vrsta neutronskih zvezda - obično su izvori X-zraka i nalaze se u centru ostataka supernova.

Recimo pulsar u M1 zrači u celom spektru i treperi u vidljivom delu spektra - što se može videti i okom sa dovoljno jakim teleskopom (ko ima "brzo" oko jer je period pulsiranja oko 30ms).

[DraganTesic]

Мени више личи на једну од супер масивних звезда, оних  од 10⁵-10⁹ маса Сунца, које су неко време у равнотежи притиска излучивања (заправо електро магнетних таласа) и гравитације ,ротирају, стварају огромно магнетно поље, избацују плазму и супер брзе електроне дуж магнетног поља и тако то...

Оне друге слике сам се сетио из свих новина, представљена је као прва слика црне рупе. Касније сам прочитао да је настала програмски, у рачунару.

Бојим се да смо заборавили на Спаин.

[vlaiv]

Касније сам прочитао да је настала програмски, у рачунару.

Sve slike vezane za svemir koje sam ja do sada napravio su nastale programski, u računaru. Nikad nisam koristio analogni film za snimanje. Gornja slika je nastala u radio opsegu i koliko ja znam, ne postoji film koji bi zabeležio radio talase.

[Yagodinac]

Поглеадао сам слику и нешто сам видео, али не знам шта.

Vlaiv je objasnio, ali činjenica je da i amater (tj ja) sa ograničenom opremom može detektovati mlaz materije iz crne rupe i to je cela poenta. Upravo to je ilustracija da nema magline oko crne rupe, izuzev mlaza materije. Ili eventualno u akrecionom disku.

Ali nebitno, crne rupe jesu većim delom još uvek teoretske stvari, tek prošle godine snimismo prvi put jednu (snimak iz gornjeg posta). Znamo za njihovo postojanje, detektujemo ih po zvezdama koje sumanuto kruže u okolini, vidimo džetove, gledamo kontinuirani spektar, definišemo supraluminalno kretanje... Za sada znamo neke stvari ali ostaje još mnogo više onoga što tek treba da se razjasni o ovim pojavama. Ovo je tema u kojoj se reperkutuje sama granica trenutne nauke.

[r2d2]

Nisam ni ja stručnjak, ali da i ja reknem štogod. Velika je misterija šta se stvarno događa u samoj crnoj rupi vezano za čestice, i njihova svojstva tipa : masa, gustina, naelektrisanje, toplotna energija i sl... U singularitetu prestaju svi nama znani zakoni fizike tako kažu naučnici. Masa čestice na primer teži ka beskonačnom, a to se kosi sa zakonima fizike po relativističkim formulama. Znači velika i za sada nedokučiva enigma. Okolina crne rupe je pak druga stvar, tu imamo čak i konkretnog obimnog posmatračkog materijala. 

[DraganTesic]

  https://www.youtube.com/watch?v=1Lwup7WD15w
   https://www.youtube.com/watch?v=f2wXzofSJwA

[spain]

Zanima me jos nesto. Ako sagorevanje materije ne moze da se vrsi bez kiseonika, kako onda sagoreva vodonik, helijum itd. u svemiru prilikom formiranja zvezda?

I gde mogu da nadjem stvari vezane za astronomiju/astrofiziku koje su 100% tacne, posto na netu moze bilo ko o bilo cemu da pise?