이 게시물은 천체 물리학 코스 프로그램의 다섯 번째 수업에 대한 요약입니다. 고등학교. 여기에는 초신성 폭발, 중성자별(펄서) 형성 과정, 항성질량 블랙홀(단일 및 항성쌍)에 대한 설명이 포함되어 있습니다. 그리고 갈색 왜성에 관한 몇 마디.
먼저 별의 유형 분류와 질량에 따른 진화를 보여주는 그림을 반복하겠습니다.
1. 신성과 초신성의 폭발.
별 깊은 곳에서 헬륨이 연소되는 과정은 적색거성의 형성과 폭발로 끝난다. 새로운교육으로 백색 왜성또는 적색 초거성의 형성과 그 폭발 초신성교육으로 중성자별또는 블랙홀,뿐만 아니라 이 별들에 의해 방출된 껍질에서 나오는 성운도 있습니다. 종종 방출된 껍질의 질량은 중성자별과 블랙홀과 같은 별의 "미라" 질량을 초과합니다. 이 현상의 규모를 이해하기 위해 우리로부터 5천만 광년 떨어진 곳에서 발생한 초신성 2015F 폭발의 영상을 제공하겠습니다. 은하 NGC 2442의 년:
또 다른 예는 우리 은하계의 1054년 초신성인데, 그 결과 게 성운과 중성자별이 우리로부터 65000광년 떨어진 곳에 형성되었습니다. 연령. 이 경우 생성된 중성자별의 질량은 ~ 2입니다. 태양 질량, 그리고 방출된 껍질의 질량은 ~ 5 태양 질량입니다. 동시대인들은 이 초신성의 밝기가 금성의 밝기보다 약 4~5배 더 클 것으로 추정했습니다. 그러한 초신성이 천 배 더 가까운 곳(6.5광년)에서 폭발한다면, 그것은 우리 하늘에서 달보다 4000배 더 밝지만 태양보다 100배 더 어두울 것입니다.
2. 중성자별.
큰 질량의 별(강) 오, 비, 에이) 수소가 헬륨으로 연소된 후 헬륨이 주로 탄소, 산소 및 질소로 연소되는 과정에서 상당히 짧은 단계에 들어갑니다. 적색초거성그리고 헬륨-탄소 순환이 완료되면 껍질을 벗기고 다음과 같이 타오르게 됩니다. "초신성". 그 깊이도 중력의 영향으로 압축됩니다. 그러나 퇴화된 전자 가스의 압력은 더 이상 백색 왜성처럼 중력에 의한 자기 압축을 멈출 수 없습니다. 따라서이 별 깊이의 온도가 상승하고 열핵 반응이 일어나기 시작하여 주기율표의 다음 요소가 형성됩니다. 최대 선.
왜 철보다 먼저? 원자 번호가 높은 핵의 형성에는 에너지 방출이 아니라 에너지 흡수가 포함되기 때문입니다. 그러나 다른 핵에서 그것을 취하는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다. 물론, 이 별들의 깊은 곳에서는 원자번호가 높은 원소들이 형성됩니다. 그러나 철보다 훨씬 적은 양입니다.
그러나 진화는 분열됩니다. 너무 거대하지 않은 별 (클래스 에이그리고 부분적으로 안에)로 변하다 중성자별. 전자가 말 그대로 양성자로 각인되고 별의 몸체 대부분이 거대한 중성자 핵으로 변하는 현상입니다. 일반 중성자가 서로 접촉하고 심지어 눌려지는 것으로 구성됩니다. 물질의 밀도는 입방 센티미터 당 수십억 톤 정도입니다. 전형적인 중성자별 직경- 약 10-20km. 중성자별은 죽은 별의 두 번째 안정된 유형의 "미라"입니다. 그들의 질량은 일반적으로 약 1.3 ~ 2.1 태양 질량 범위입니다(관측 데이터에 따르면).
단일 중성자별은 광도가 극도로 낮기 때문에 광학적으로 보기가 거의 불가능합니다. 그러나 그들 중 일부는 자신을 다음과 같이 생각합니다. 펄서. 그것은 무엇입니까? 거의 모든 별은 축을 중심으로 회전하며 상당히 강한 별을 가지고 있습니다. 자기장. 예를 들어, 우리 태양은 약 한 달 안에 축을 중심으로 회전합니다.
이제 직경이 십만 배 감소한다고 상상해보십시오. 각운동량 보존 법칙 덕분에 훨씬 더 빠르게 회전할 것이 분명합니다. 그리고 표면 근처에 있는 그러한 별의 자기장은 태양의 자기장보다 훨씬 더 강할 것입니다. 대부분의 중성자별은 축을 중심으로 10분의 1초에서 100분의 1초의 회전 주기를 갖습니다. 관찰에 따르면 가장 빠르게 회전하는 펄서는 축을 중심으로 초당 700회가 조금 넘는 회전을 하고, 가장 느리게 회전하는 펄서는 23초 이상에 한 바퀴 회전하는 것으로 알려져 있습니다.
이제 지구와 마찬가지로 그러한 별의 자기 축이 회전 축과 일치하지 않는다고 상상해보십시오. 그러한 별에서 나오는 강한 방사선은 자기 축을 따라 좁은 원뿔에 집중됩니다. 그리고 이 원뿔이 별의 회전 주기와 함께 지구에 "접촉"하면 우리는 이 별을 맥동하는 방사선원으로 볼 수 있습니다. 우리 손으로 회전하는 손전등처럼.
이러한 펄서(중성자별)는 1054년 험버트 추기경이 콘스탄티노플을 방문했을 때 발생한 초신성 폭발 이후에 형성되었습니다. 그 결과 가톨릭과 가톨릭 사이에 최종 단절이 발생했습니다. 정교회. 이 펄서 자체는 초당 30번 회전합니다. 그리고 그것이 방출한 껍질은 ~5 태양 질량의 질량을 가지고 있습니다. 게 성운:
3. 블랙홀(별의 질량).
마지막으로 상당히 거대한 별(클래스 에 대한그리고 부분적으로 안에) 마무리 인생의 길세 번째 유형의 "미라" - 블랙홀. 이러한 물체는 별 잔해의 질량이 너무 커서 이 잔해의 깊이에서 중성자와 접촉하는 압력(퇴화 중성자 가스의 압력)이 중력에 의한 자체 압축을 저항할 수 없을 때 발생합니다. 관측 결과에 따르면 중성자별과 블랙홀 사이의 질량 경계는 ~2.1 태양 질량 근처에 있습니다.
단일 블랙홀을 직접 관찰하는 것은 불가능합니다. 어떤 입자도 표면에서 빠져나올 수 없습니다(존재하는 경우). 빛의 입자조차도 광자입니다.
4. 쌍성계의 중성자별과 블랙홀.
단일 중성자별과 항성질량 블랙홀은 사실상 관측이 불가능합니다. 그러나 가까운 항성계에 있는 두 개 이상의 별 중 하나인 경우에는 그러한 관측이 가능합니다. 중력으로 인해 그들은 여전히 보통 별로 남아있는 이웃 별의 외부 껍질을 "흡입"할 수 있기 때문입니다.
중성자별이나 블랙홀 주위의 이러한 "흡입"으로 인해 부착 디스크, 그 물질은 중성자별이나 블랙홀을 향해 부분적으로 "미끄러지고" 부분적으로는 두 번에 걸쳐 버려집니다. 제트기. 이 과정은 기록될 수 있습니다. 예를 들어 SS433의 쌍성계가 있는데, 그 구성 요소 중 하나가 중성자별이나 블랙홀입니다. 그리고 두 번째는 여전히 평범한 별입니다.
5. 갈색 왜성.
질량이 태양질량보다 눈에 띄게 적고 최대 0.08 태양질량을 가진 별은 M급 적색왜성으로 우주의 나이보다 더 긴 시간 동안 수소-헬륨 순환을 하게 됩니다. 이 한계보다 작은 질량을 가진 물체에서는 여러 가지 이유로 오랫동안 고정된 열핵융합이 불가능합니다. 이러한 별을 갈색왜성이라고 합니다. 표면 온도가 너무 낮아 광학적으로는 거의 보이지 않습니다. 그러나 그들은 적외선 범위에서 빛납니다. 이러한 이유들이 결합되어 종종 호출됩니다. 서브스타.
갈색 왜성의 질량 범위는 0.012 ~ 0.08 태양 질량입니다. 질량이 0.012 태양 질량(~12 목성 질량) 미만인 물체는 행성일 수 있습니다. 가스 거인. 느린 중력 자체 압축으로 인해 그들은 부모 별로부터 받는 것보다 눈에 띄게 더 많은 에너지를 방출합니다. 따라서 모든 범위의 합을 기준으로 목성은 태양으로부터 받는 에너지의 약 두 배에 달하는 에너지를 방출합니다.
무슨 일이야? 블랙홀 ? 왜 블랙이라고 불리는가? 별에서는 무슨 일이 일어나는 걸까요? 중성자별과 블랙홀은 어떤 관계가 있나요? 대형 강입자 충돌기는 블랙홀을 생성할 수 있습니까? 이것이 우리에게 의미하는 바는 무엇입니까?
무슨 일이야? 별??? 아직 모르신다면 우리 태양도 별입니다. 이것은 객체입니다 큰 사이즈열핵융합을 사용하여 전자기파를 방출할 수 있습니다(이것은 가장 정확한 정의는 아닙니다). 명확하지 않은 경우 다음과 같이 말할 수 있습니다. 별은 큰 구형 물체이며 그 내부에는 핵 반응의 도움으로 매우 많이 형성됩니다. 큰 수에너지 중 일부는 가시광선을 방출하는 데 사용됩니다. 일반적인 빛 외에도 열(적외선), 전파, 자외선 등이 방출됩니다.
핵 반응은 원자력 발전소에서와 동일한 방식으로 모든 별에서 발생하지만 두 가지 주요 차이점만 있습니다.
1. 핵융합 반응은 별, 즉 핵의 결합체와 원자력 발전소에서 일어난다. – 핵 붕괴. 첫 번째 경우에는 3배, 수천 배 더 많은 에너지가 방출됩니다. 비용 절감, 수소만 필요하기 때문에 상대적으로 가격이 저렴하다. 또한 첫 번째 경우에는 유해한 폐기물이 없으며 무해한 헬륨만 방출됩니다. 물론, 왜 그러한 반응이 원자력 발전소에서 사용되지 않는지 궁금하십니까? 통제되지 않고 쉽게 다음과 같은 결과를 초래할 수 있기 때문입니다. 핵폭발, 이 반응에는 수백만 도의 온도가 필요합니다. 인간에게 핵융합은 가장 중요하고 가장 어려운 작업입니다(아직 열핵융합을 제어할 수 있는 방법을 찾아낸 사람은 아무도 없습니다). 에너지원이 고갈되고 있기 때문입니다.
2. 별에서는 원자력 발전소보다 반응에 더 많은 물질이 관여하고 당연히 더 많은 에너지 출력이 있습니다.
이제 별의 진화에 대해. 모든 별은 태어나고 성장하고 늙고 죽습니다(소멸). 진화 방식에 따라 별은 질량에 따라 세 가지 범주로 나뉩니다.
첫 번째 카테고리 – 질량이 1.4 * 태양의 질량보다 작은 별. 그러한 별에서는 모든 "연료"가 천천히 금속으로 변합니다. 왜냐하면 핵의 융합(결합)으로 인해 점점 더 많은 "다핵"(무거운) 요소가 나타나고 이것이 금속이기 때문입니다. 사실인가요? 마지막 단계이러한 별의 진화는 기록되지 않았으며(금속구를 감지하기 어렵습니다) 이는 단지 이론일 뿐입니다.
두 번째 카테고리 –
질량이 첫 번째 범주의 별의 질량을 초과하지만 태양 질량의 3배 미만인 별. 진화의 결과로 그러한 별은 내부 인력과 반발력의 균형을 잃습니다. 결과적으로, 외부 껍질은 우주로 던져지고 내부 껍질(운동량 보존 법칙에 따라)은 "격렬하게" 수축되기 시작합니다. 중성자별이 형성됩니다. 그것은 거의 전적으로 중성자, 즉 전하가 없는 입자로 구성됩니다. 중성자별의 가장 놀라운 점 –
중성자가 되려면 별이 직경이 약 300km에 불과한 공으로 압축되어야 하는데 이는 매우 작기 때문에 밀도입니다. 따라서 그 밀도는 매우 높습니다. 하나에 약 수십조 kg입니다. 입방미터이는 지구상에서 가장 밀도가 높은 물질의 밀도보다 수십억 배 더 큽니다. 이 밀도는 어디에서 왔습니까? 사실 지구상의 모든 물질은 원자로 구성되어 있으며 원자는 핵으로 구성되어 있습니다. 각 원자는 중앙에 작은 핵이 있는 커다란 빈 공(완전히 비어 있음)으로 상상할 수 있습니다. 핵은 원자의 전체 질량을 포함합니다 (핵 외에도 원자에는 전자만 포함되어 있지만 질량은 매우 작습니다). 핵의 직경은 원자보다 1000배 작습니다. 이는 핵의 부피가 원자보다 1000*1000*1000 = 10억 배 작다는 것을 의미합니다. 따라서 핵의 밀도는 원자의 밀도보다 수십억 배 더 큽니다. 중성자별에서는 무슨 일이 일어나는가? 원자는 더 이상 물질의 형태로 존재하지 않으며 핵으로 대체됩니다. 그렇기 때문에 그러한 별의 밀도는 지구 물질의 밀도보다 수십억 배 더 큽니다.
우리 모두는 무거운 물체(행성, 별)가 주변의 모든 것을 강하게 끌어당긴다는 것을 알고 있습니다. 중성자별은 이런 식으로 발견됩니다. 그들은 다른 사람들의 궤도를 크게 왜곡합니다. 눈에 보이는 별, 근처에 위치.
별의 세 번째 범주 – 질량이 태양의 3배 이상인 별. 중성자가 된 이러한 별은 더 압축되어 블랙홀로 변합니다. 그 밀도는 중성자별의 밀도보다 수만 배 더 높습니다. 이렇게 엄청난 밀도를 지닌 블랙홀은 매우 강한 중력 능력(주변 물체를 끌어당기는 능력)을 갖게 됩니다. 그러한 중력으로 인해 별은 전자기파, 즉 빛조차도 한계를 벗어나는 것을 허용하지 않습니다. 즉, 블랙홀은 빛을 방출하지 않습니다. 빛이 부족함 – 이것이 어둠이기 때문에 블랙홀을 블랙이라고 부르는 것입니다. 그것은 항상 검은색이며 어떤 망원경으로도 볼 수 없습니다. 블랙홀은 중력으로 인해 주변의 모든 물체를 스스로 빨아들일 수 있다는 것을 누구나 알고 있습니다. 대용량. 이것이 바로 사람들이 대형 강입자 충돌기(Large Hadron Collider) 출시를 경계하는 이유이며, 과학자들에 따르면 블랙 마이크로홀의 출현이 가능한 작업입니다. 그러나 이러한 미세 구멍은 일반 구멍과 매우 다릅니다. 수명이 매우 짧기 때문에 불안정하며 실제로 입증되지 않았습니다. 더욱이 과학자들은 이 마이크로홀이 일반 블랙홀과 완전히 다른 성질을 갖고 있어 물질을 흡수할 수 없다고 주장합니다.
웹사이트에서 자료의 전체 또는 일부를 복사하는 경우 출처에 대한 링크가 필요합니다.
특정 임계 값보다 낮은 질량을 가진 별의 경우 중력 압축은 소위 "백색 왜성" 단계에서 중지됩니다.
백색 왜성의 밀도는 10 7 g/cm 3 이상이고 표면 온도는 ~ 10 4 K입니다. 고온원자는 완전히 이온화되어야 하며 별 내부의 핵은 축퇴 전자 가스를 형성하는 전자 바다에 잠겨 있어야 합니다. 이 가스의 압력은 별의 중력 붕괴를 방지합니다.
축퇴된 전자 가스의 압력은 양자적 성질을 가집니다. 이는 전자가 따르는 Pauli 원리의 결과로 발생합니다.
Pauli 원리는 각 전자가 차지할 수 있는 최소 공간에 제한을 설정합니다. 외부 압력은 이 부피를 줄일 수 없습니다. 백색 왜성에서는 모든 전자가 최소 부피에 도달하고 중력 압축이 균형을 이룹니다. 내부 압력전자 가스.
백색 왜성의 질량 제한은 약 1.5M·s이다. 이 제한 질량을 찬드라세카르 한계(M s는 태양의 질량으로 ~ 1.99·10 30 kg에 해당)라고 합니다.
일반적으로 백색 왜성의 최대 질량은 1.4M·s로 알려져 있습니다. 따라서 전자 축퇴 압력은 1.4M s보다 큰 질량을 포함할 수 없습니다. 0.5M 초라면< M < 1.4M s , ядро белого карлика состоит из углерода и кислорода. Если M < 0.5M s , ядро белого карлика состоит из гелия.
질량이 찬드라세카르에 가까운 백색 왜성의 밀도는 6x10 6 g/cm 3, 반경은 5x10 3 km입니다.
백색왜성의 광도는 태양 광도의 10 -2 -10 -4이다. 그들의 방사선은 그 안에 저장된 열 에너지에 의해 제공됩니다.
중성자별
계산에 따르면 M ~ 25M s의 초신성 폭발 중에 질량이 ~ 1.6M s인 밀도가 높은 중성자 코어(중성자별)가 남아 있는 것으로 나타났습니다.
초신성 단계에 도달하지 않은 잔여 질량 M > 1.4M s의 별에서는 축퇴된 전자 가스의 압력도 중력의 균형을 이룰 수 없으며 별은 핵 밀도 상태로 압축됩니다. 이 중력 붕괴의 메커니즘은 초신성 폭발과 동일합니다.
별 내부의 압력과 온도는 전자와 양성자가 서로 "압착"되는 것처럼 보이는 값과 반응의 결과에 도달합니다.
p + e - > n + v e
중성미자가 방출된 후 중성자가 형성되어 전자보다 훨씬 작은 위상 부피를 차지합니다.
소위 중성자별이 나타나며 그 밀도는 10 14 - 10 15 g/cm 3 에 이릅니다. 중성자별의 특징적인 크기는 10~15km이다.
어떤 의미에서 중성자별은 거대한 원자핵입니다.
중성자의 상호 작용으로 인해 발생하는 핵 물질의 압력으로 인해 추가 중력 압축이 방지됩니다. 이는 이전 백색 왜성의 경우와 동일한 축퇴 압력이지만 훨씬 밀도가 높은 중성자 가스의 축퇴 압력입니다. 이 압력은 최대 3.2M s의 질량을 보유할 수 있습니다.
붕괴 순간에 생성된 중성미자는 중성자별을 매우 빠르게 냉각시킵니다. 이론적 추정에 따르면 온도는 ~ 100초 내에 10 11 K에서 10 9 K로 떨어집니다. 또한 냉각 속도가 약간 감소합니다. 하지만 천문학적인 규모로 보면 상당히 높은 수준이다. 10 9 K에서 10 8 K로의 온도 감소는 100년 후에 발생하며 100만 년 후에 10 6 K로 감소합니다.
광학적 방법을 사용하여 중성자별을 탐지하는 것은 작은 크기와 낮은 온도로 인해 매우 어렵습니다.
1967년 케임브리지 대학교에서 휴이시(Hewish)와 벨(Bell)은 주기적인 전자기 복사의 우주 근원을 발견했습니다. 펄서. 대부분의 펄서의 펄스 반복 주기는 3.3·10 -2 ~ 4.3초 범위에 있습니다.
현대 개념에 따르면, 펄서는 질량이 1-3M s이고 직경이 10-20km인 회전하는 중성자별입니다.
중성자별의 특성을 지닌 소형 물체만이 이러한 회전 속도에서 붕괴되지 않고 모양을 유지할 수 있습니다.
중성자별이 형성되는 동안 각운동량과 자기장의 보존은 강한 자기장 B ~ 10 12 G를 갖는 빠르게 회전하는 펄서의 탄생으로 이어집니다.
B는 자기장의 주요 힘 특성인 자기 유도 벡터이다. CGS 시스템(센티미터-그램-초)에서는 가우스(G)로 측정되고 국제 단위계(SI)에서는 테슬라(T)로 측정됩니다. 1T = 104G
중성자별에는 별의 회전축과 축이 일치하지 않는 자기장이 있다고 믿어집니다. 이 경우 별의 방사선(전파 및 가시광선)은 등대의 광선처럼 지구를 가로질러 미끄러집니다. 빔이 지구를 통과하면 펄스가 기록됩니다.
중성자별 자체의 방사선은 별 표면의 하전 입자가 자기장 선을 따라 바깥쪽으로 이동하여 전자기파를 방출한다는 사실로 인해 발생합니다. Gold가 처음 제안한 이 펄서 무선 방출 메커니즘은 아래 그림에 나와 있습니다.
방사선 빔이 지구상의 관측자에게 닿으면 전파 망원경은 중성자별의 회전 주기와 동일한 주기로 짧은 전파 방출 펄스를 감지합니다.
펄스의 모양은 매우 복잡할 수 있는데, 이는 중성자별 자기권의 기하학적 구조에 의해 결정되며 각 펄서의 특징입니다.
펄서의 회전 주기는 엄격하게 일정하며 이러한 주기를 측정하는 정확도는 14자리 숫자에 이릅니다.
현재 바이너리 시스템의 일부인 펄서가 발견되었습니다. 펄서가 두 번째 구성요소를 공전하는 경우 도플러 효과로 인해 펄서 주기의 변화가 관찰되어야 합니다.
펄서가 관찰자에게 접근하면 도플러 효과로 인해 전파 펄스의 기록 주기가 감소하고, 펄서가 우리에게서 멀어지면 주기가 증가합니다. 이 현상을 바탕으로 이중별의 일부인 펄서가 발견되었습니다.
최초로 발견된 쌍성계의 일부인 펄서 PSR 1913 + 16의 경우 궤도 주기는 7시간 45분이었습니다. 펄서 PSR 1913 + 16의 자연 궤도 주기는 59ms입니다.
펄서의 방사선은 중성자별의 회전 속도를 감소시킵니다. 이 효과도 발견되었습니다. 쌍성계의 일부인 중성자별은 강렬한 X선 방사선의 원천이 될 수도 있습니다.
중성자별의 형성이 항상 초신성 폭발의 결과인 것은 아닙니다. 가까운 쌍성계에서 백색왜성이 진화하는 동안 중성자별이 형성될 수 있는 또 다른 메커니즘.
동반성에서 백색왜성으로의 물질 흐름은 백색왜성의 질량을 점차 증가시키며, 임계질량(찬드라세카르 한계)에 도달하면 백색왜성은 중성자별로 변합니다.
중성자별이 형성된 후에도 물질의 흐름이 계속되면 질량이 크게 증가하고 중력 붕괴로 인해 블랙홀로 변할 수 있습니다. 이는 소위 '조용한' 붕괴에 해당합니다.
빽빽하게 들어찬 중성자에 의해 평형 상태를 유지할 수 있는 별의 질량에는 한계가 있습니다. 핵 물질의 밀도를 크게 초과하는 밀도에서 물질의 거동이 충분히 연구되지 않았기 때문에 이 한계는 정확하게 계산할 수 없습니다.
축퇴된 중성자에 의해 더 이상 안정화될 수 없는 별의 질량 추정치는 ~ 3M s의 값을 제공합니다.
따라서 초신성 폭발 중에 잔류 질량 M > 3M s가 유지된다면 안정적인 중성자별의 형태로 존재할 수 없습니다.
짧은 거리의 핵 반발력은 별의 추가 중력 압축을 견딜 수 없습니다. 특이한 물체, 즉 블랙홀이 나타납니다.
블랙홀의 주요 특성은 블랙홀에서 방출되는 신호가 경계를 넘어 외부 관찰자에게 도달할 수 없다는 것입니다.
블랙홀로 붕괴되는 질량 M의 별은 반경 r g의 구(슈바르츠실트 구)에 도달합니다.
rg = 2GM/c 2,
(공식적으로, 이 관계는 잘 알려진 두 번째 공식을 가정하여 도달할 수 있습니다. 탈출 속도 v k2 = (2GM/R) 1/2이 속도의 한계값은 빛의 속도와 같습니다.)
물체가 슈바르츠실트 구의 크기에 도달하면 중력장이 너무 강해져서 전자기 복사도 이 물체를 떠날 수 없습니다. 태양의 슈바르츠실트 반경은 3km, 지구의 반경은 1cm입니다.
슈바르츠실트 블랙홀은 회전하지 않는 블랙홀이며 회전하지 않는 거대한 별의 잔해입니다. 회전하는 거대한 별이 회전하는 블랙홀(커 블랙홀)로 붕괴됩니다.
블랙홀은 간접적인 증거에 의해서만 탐지될 수 있으며, 특히 눈에 보이는 별이 있는 쌍성계의 일부인 경우에는 더욱 그렇습니다. 이 경우 블랙홀은 별의 가스를 빨아들입니다. 이 가스는 가열되어 감지할 수 있는 강렬한 X선의 원인이 됩니다.
현재 블랙홀의 존재에 대한 직접적인 실험적 증거는 없습니다. 블랙홀의 존재로 행동을 설명할 수 있는 우주 물체가 여러 개 있습니다.
따라서 회전 주기가 5.6일인 쌍성계인 Cygnus XI 개체가 있습니다. 이 시스템에는 질량이 22M s인 청색 거성과 질량이 8M s인 맥동 X선의 보이지 않는 소스가 포함되어 있습니다. 이는 블랙홀일 가능성이 있습니다(이렇게 큰 질량의 물체는 중성자별이 될 수 없습니다).
별이 붕괴하면서 형성된 블랙홀과 함께, 빅뱅의 불균일성으로 인해 최초의 별이 출현하기 오래 전에 생겨난 블랙홀이 우주에 있을 수 있습니다.
나타난 물질 덩어리는 블랙홀 상태로 압축되고 나머지 물질은 팽창할 수 있다. 우주의 가장 초기 단계에 형성된 블랙홀을 유물이라고 합니다. 그 중 일부 규모가 상당히 클 것으로 추정됩니다. 더 작은 크기양성자.
1974년에 호킹은 블랙홀이 입자를 방출해야 한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 입자의 근원은 진공 상태에서 가상 입자-반입자 쌍이 형성되는 과정입니다. 일반 분야에서는 이러한 쌍이 너무 빨리 소멸되어 관찰할 수 없습니다. 그러나 매우 강한 분야에서는 가상 입자그리고 반입자는 분열되어 현실이 될 수 있습니다.
블랙홀 가장자리에는 강력한 조석력이 있습니다. 이러한 힘의 영향으로 가상 쌍의 일부인 입자(반입자) 중 일부가 블랙홀 밖으로 날아갈 수 있습니다. 그들 중 다수가 소멸되기 때문에 블랙홀은 방사선의 원천이 되어야 합니다.
블랙홀이 우주로 방출하는 에너지는 블랙홀의 깊이에서 나옵니다. 따라서 이러한 입자 방출 과정에서 블랙홀의 질량과 크기는 감소해야 한다. 이것이 블랙홀의 '증발' 메커니즘이다.
블랙홀의 온도는 질량에 반비례하므로 질량이 클수록 수명이 질량의 세제곱(4차원 시공간)에 비례하기 때문에 더 천천히 증발합니다. 예를 들어, 질량 M이 태양 정도인 블랙홀의 수명은 우주의 나이를 초과하는 반면, M = 1테라전자볼트(10 12 eV, 약 2x10 -30 kg)인 마이크로홀은 약 10 -27 초(과학과 생명, 블랙홀).
대형 블랙홀의 경우 "증발" 속도는 매우 느리므로 사실상 무시할 수 있습니다. 태양 질량의 10배에 해당하는 블랙홀은 1069년 안에 증발합니다. 큰 은하의 중심에 있을 수 있는 초대질량(태양 질량의 수십억) 블랙홀의 증발 시간은 1096년이 될 수 있습니다.
별이 백색왜성, 중성자별, 블랙홀로 변하는 과정에는 대개 엄청난 에너지 방출이 동반됩니다. 이러한 종류의 에너지 방출 및 기타 우주 폭발에 대한 자세한 내용은 다음 비디오에 설명되어 있습니다.
비디오: 우주에서 가장 심각하고 가장 큰 폭발. 은하, 별, 행성의 폭발.
중력은 이러한 많은 질문의 기본 주제입니다. 이것이 우주를 정의하는 힘입니다. 중력은 행성을 궤도에 유지하고 별과 은하를 연결하며 우주의 운명을 결정합니다. 17세기 아이작 뉴턴이 창안한 중력에 대한 이론적 설명은 화성, 목성 및 지구로 비행하는 우주선의 궤적을 계산할 수 있을 만큼 정확합니다. 그 너머에. 그러나 1905년 이후 알베르트 아인슈타인이 보여주었을 때 특수이론 정보의 즉각적인 전달이 불가능하다는 상대성 이론에 따라 물리학자들은 중력에 의해 유도된 운동의 속도가 빛의 속도에 가까워지면 뉴턴의 법칙이 더 이상 적절하지 않게 된다는 것을 깨달았습니다. 그러나 아인슈타인의 일반 상대성 이론(1916년 출판)은 중력이 극도로 강한 상황을 설명하는 데 있어서 매우 일관성이 있으며 일반 상대성 이론은 20세기 물리학의 두 기둥 중 하나로 간주됩니다. 두 번째는 원자와 핵에 대한 현대의 이해를 예표하는 아이디어의 혁명인 양자 이론입니다. 아인슈타인의 지적 업적은 특히 인상적이었습니다. 양자 이론의 선구자들과는 달리 그에게는 실험 문제의 형태로 인센티브가 없었기 때문입니다. 불과 50년 후, 천문학자들은 가장 특징적이고 놀라운 특징을 지닌 충분히 강한 중력장을 가진 물체를 발견했습니다. 이론은 아인슈타인이 나타날 수 있습니다. 60년대 초, 광도가 매우 높은 물체인 퀘이사(quasar)가 발견되었습니다. 별이 빛나는 덕분에 핵융합보다 훨씬 더 효율적인 에너지 원이 필요한 것 같았습니다. 중력 붕괴가 가장 매력적인 설명으로 보였습니다. 미국의 이론가 토마스 골드(Thomas Gold)는 당시 이론가들을 사로잡았던 흥분을 표현했습니다. 1963년 댈러스에서 열린 상대론적 천체물리학의 새로운 목적에 관한 첫 번째 주요 회의의 오후 연설에서 그는 이렇게 말했습니다. 행복합니다: 자신의 작업이 인정받고 있다고 느끼는 상대론자, 자신이 존재하지도 않았던 분야에서 갑자기 전문가가 되었다고 생각하는 사람, 자신의 활동 분야를 확장한 천체물리학자... 이 모든 것이 매우 좋습니다. 그것이 옳기를 바랍니다. " 새로운 전파 및 X선 천문학 방법을 사용한 관측은 Gold의 낙관주의를 뒷받침했습니다. 1950년대에는 세계 최고의 광학 망원경이 미국, 특히 캘리포니아에 집중되어 있었습니다. 유럽에서의 이러한 이동은 기후적, 재정적 이유로 인해 발생했습니다. 그러나 우주의 전파는 구름을 통해 이동할 수 있으므로 유럽과 호주에서는 기상 조건의 영향을 받지 않고 전파 천문학이라는 새로운 과학이 발전할 수 있습니다. 하나는 1054년 동부 천문학자들이 관찰한 초신성 폭발의 팽창하는 잔해인 게 성운(Crab Nebula)이었습니다. 다른 출처는 거대 블랙홀 근처에서 생성된 에너지로 현재 우리가 알고 있는 먼 은하계 외 물체였습니다. 이러한 발견은 예상치 못한 것이었습니다. 현재 상당히 잘 이해되고 있는 전파 방출을 담당하는 물리적 과정은 예측되지 않았습니다. 전파 천문학의 가장 놀랍고 예상치 못한 성취는 1967년 앤서니 휴이시(Anthony Hewish)와 조슬린 벨(Jocelyn Bell)이 중성자별을 발견한 것입니다. 이 별들은 초신성 폭발 이후 중심부에 남겨진 밀도 높은 잔해입니다. 그들은 펄서로 발견되었습니다. 그들은 회전하고(때로는 초당 여러 번) 회전당 한 번씩 우리의 시선을 통과하는 강력한 전파 빔을 방출합니다. 중성자별의 중요성은 극단적인 점에 있습니다. 신체적 조건: 엄청난 밀도, 강한 자기장 및 중력장 1969년에 게 성운의 중심에서 매우 빠른(30Hz) 펄서가 발견되었습니다. 주의 깊게 관찰한 결과 펄스의 빈도가 점차 감소하는 것으로 나타났습니다. 별의 회전 에너지가 점차적으로 성운을 푸른 빛으로 계속 빛나게 하는 입자 바람으로 변환된다면 이는 자연스러운 현상이었습니다. 흥미롭게도 펄서의 맥박수(초당 30회)가 너무 높아서 눈으로 볼 수 있습니다. 영구 소스. 만일 이 별이 그만큼 밝았지만 좀 더 느리게 회전했다면(예를 들어 초당 10회) 작은 별의 놀라운 특성은 70년 전에 발견되었을 것입니다. 만약 지구에서 중성자가 발견되기 전인 1920년대에 초밀도 물질이 발견되었다면 20세기 물리학의 발전은 어떻게 달라졌겠는가? 아무도 모르지만, 기초 물리학에 대한 천문학의 중요성은 중성자별이 우연히 발견되기 훨씬 전에 실현되었을 것이라는 점은 확실합니다. 누구도 그렇게 강력하고 선명한 전파 펄스를 방출할 것이라고 예상하지 못했습니다. 이론가들이 1960년대 초에 중성자별을 가장 잘 탐지하는 방법에 대해 질문을 받았다면 대부분은 X선을 찾아보라고 제안했을 것입니다. 실제로 중성자별이 훨씬 더 작은 영역에서 일반 별만큼 많은 에너지를 방출한다면 X선을 방출할 만큼 충분히 뜨거워야 합니다. 따라서 X선 천문학자들은 우주 물체에서 나오는 중성자별을 발견할 가능성이 더 높은 것처럼 보였습니다. 그러나 X선은 지구 대기에 흡수되어 우주에서만 관찰할 수 있습니다. 전파 천문학과 마찬가지로 X선 천문학도 군사 기술과 경험에서 힘을 얻었습니다. 이 분야에서는 미국의 과학자들이 선두적인 위치를 차지하고 있으며, 특히 故 허버트 프리드먼(Herbert Friedman)과 그의 해군 동료들이 그랬습니다. 연구실미국. 로켓에 장착된 최초의 X선 감지기는 땅에 떨어지기 전까지 몇 분 동안만 작동했습니다. X선 천문학은 1970년대에 NASA가 최초의 X선 위성을 발사하여 수년에 걸쳐 정보를 수집하면서 큰 발전을 이루었습니다. 이 프로젝트와 이후의 많은 프로젝트는 X선 천문학이 우주에 대한 중요한 새 창을 열었다는 것을 보여주었습니다. X선은 비정상적으로 뜨거운 가스와 특히 강력한 소스에 의해 방출됩니다. 따라서 하늘의 X선 지도는 우주에서 가장 뜨겁고 강력한 물체를 강조합니다. 그중에는 중성자별이 있는데, 이 별에는 적어도 태양만큼 큰 질량이 직경 10km가 조금 넘는 부피에 집중되어 있습니다. 중력이 너무 강해서 상대론적 보정이 최대 30%에 달합니다. 현재 붕괴 중에 별의 일부 잔해는 중성자별의 밀도를 초과하여 블랙홀로 변하여 중성자보다 훨씬 더 시간과 공간을 왜곡할 수 있다고 가정됩니다. 별. 블랙홀의 지평선 안쪽으로 모험을 떠나는 우주비행사는 전송할 수 없습니다.주변 세계로-마치 공간 자체가 빛이 통과하는 것보다 빠르게 빨려 들어가는 것처럼. 외부 관찰자는 우주 비행사의 최종 운명을 결코 알 수 없습니다. 그에게는 내부에 떨어지는 시계가 점점 더 느려지는 것처럼 보일 것입니다. 붕괴된 물체 주위에서 시간이 어떻게 왜곡되는지 연구한 러시아 이론가 야코프 젤도비치(Yakov Zeldovich)와 이고르 노비코프(Igor Novikov)는 1960년대 초에 "얼어붙은 별"이라는 용어를 제안했습니다. "블랙홀"이라는 용어는 1968년 존 휠러(John Wheeler)가 "외부에서 떨어지는 빛과 입자가 블랙홀 안으로 떨어지면서 질량과 중력이 증가하는 과정"을 설명하면서 만들어졌습니다. 블랙홀은 별의 최종 진화 상태입니다. , 반경은 10~50km입니다. 그러나 이제 대부분의 은하 중심에 태양질량 수백만, 심지어 수십억에 달하는 블랙홀이 존재한다는 강력한 증거가 있습니다. 그들 중 일부는 자신이 위치한 은하계의 모든 별보다 더 밝게 빛나는 에너지 덩어리 또는 우주 전파 방출의 강력한 원천인 퀘이사로 나타납니다. 우리 은하 중심에 있는 블랙홀을 포함한 다른 것들은 그러한 활동을 나타내지 않지만, 외부에서 볼 때 가까이 다가오는 별의 궤도에 영향을 미칩니다. 특정 블랙홀이 어떻게 형성되었는지, 어떤 물체가 블랙홀에 삼켜졌는지 확인할 수 있습니다. 1963년 뉴질랜드인 로이 커(Roy Kerr)는 붕괴된 회전 물체를 설명하는 아인슈타인 방정식의 해법을 발견했습니다. "Kerr Solution"은 매우 중요한, 이론가들이 그것이 블랙홀 주변의 시공간을 설명한다는 것을 깨달았을 때. 붕괴하는 물체는 질량과 회전을 측정하는 단 두 개의 숫자로 특징지어지는 표준화된 상태로 빠르게 자리 잡습니다. 1960년대 상대성 이론을 되살리기 위해 가장 많은 노력을 기울였던 수리물리학자 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 다음과 같이 말했습니다. "가장 이상하고 익숙하지 않은 천체물리학적 대상인 블랙홀에 대해 우리의 이론적 그림이 가장 완벽하다는 것은 다소 아이러니합니다." 블랙홀의 발견은 아인슈타인 이론의 가장 놀라운 결과를 테스트할 수 있는 길을 열었습니다. 그러한 물체로부터의 방출은 주로 "중력 구덩이"로 나선형으로 떨어지는 뜨거운 가스로 인해 발생합니다. 강한 도플러 효과를 보여주며 강한 중력장으로 인해 추가적인 적색편이도 나타납니다. 이 방사선, 특히 X선에 대한 분광학 연구를 통해 블랙홀에 매우 가까운 흐름을 조사하고 공간의 모양이 이론의 예측과 일치하는지 확인할 수 있습니다.
백색왜성, 중성자별, 블랙홀은 다양한 모양별 진화의 마지막 단계. 어린 별들은 항성 내부에서 일어나는 열핵반응으로부터 에너지를 얻습니다. 이러한 반응 중에 수소는 헬륨으로 변환됩니다. 특정 비율의 수소가 소비된 후 생성된 헬륨 코어가 수축되기 시작합니다. 별의 추가 진화는 질량, 더 정확하게는 찬드라세카르 한계라고 불리는 특정 임계값과 어떻게 관련되는지에 따라 달라집니다. 별의 질량이 이 값보다 작으면 축퇴 전자 가스의 압력은 온도가 이 값에 도달하기 전에 헬륨 핵의 압축(붕괴)을 멈춥니다. 높은 가치열핵반응이 시작될 때 헬륨이 탄소로 변환됩니다. 한편, 진화하는 별의 바깥층은 상대적으로 빠르게 벗겨집니다. (이런 식으로 행성상 성운이 형성된다고 가정합니다.) 백색 왜성은 다소 확장된 수소 껍질로 둘러싸인 헬륨 핵입니다.
더 무거운 별에서는 헬륨이 "소진"될 때까지 헬륨 코어가 계속 수축합니다. 헬륨이 탄소로 변할 때 방출되는 에너지는 핵이 더 이상 붕괴되는 것을 방지하지만 오래 가지 않습니다. 헬륨이 완전히 소모된 후에도 코어 압축은 계속됩니다. 온도가 다시 상승하고 다른 핵반응이 시작되어 원자핵에 저장된 에너지가 고갈될 때까지 진행됩니다. 이 시점에서 별의 핵은 이미 핵 "재"의 역할을 하는 순철로 구성되어 있습니다. 이제 별의 추가 붕괴를 막을 수 있는 것은 아무것도 없습니다. 물질의 밀도가 원자핵의 밀도에 도달할 때까지 계속됩니다. 별의 중앙 부분에 있는 물질의 급격한 압축은 엄청난 힘의 폭발을 일으키며, 그 결과 별의 바깥층이 엄청난 속도로 날아갑니다. 천문학자들이 초신성 현상과 연관시키는 것은 바로 이러한 폭발입니다.
붕괴하는 별 잔해의 운명은 질량에 달려 있습니다. 질량이 약 2.5M 0(태양의 질량)보다 작으면 중성자와 양성자의 "0" 운동으로 인한 압력은 별의 추가 중력 압축을 방지할 만큼 충분히 큽니다. 물질의 밀도가 원자핵의 밀도와 같거나 심지어 초과하는 물체를 중성자별이라고 합니다. 그들의 속성은 R. Oppenheimer와 G. Volkov에 의해 30년대에 처음 연구되었습니다.
뉴턴의 이론에 따르면, 붕괴하는 별의 반경은 유한한 시간 안에 0으로 감소하는 반면, 중력 잠재력은 무한정 증가합니다. 아인슈타인의 이론은 다른 시나리오를 그린다. 광자의 속도는 블랙홀 중심에 가까워질수록 감소하여 0이 됩니다. 이는 외부 관찰자의 관점에서 볼 때 블랙홀에 떨어지는 광자는 결코 중심에 도달하지 않는다는 것을 의미합니다. 물질 입자는 광자보다 빠르게 움직일 수 없기 때문에 블랙홀의 반경은 무한한 시간 내에 한계 값에 도달합니다. 더욱이 블랙홀 표면에서 방출된 광자는 붕괴 과정에서 점점 더 적색편이를 경험합니다. 외부 관찰자의 관점에서 볼 때, 블랙홀을 형성하는 물체는 처음에 점점 더 빠른 속도로 수축합니다. 그런 다음 반경이 점점 더 천천히 감소하기 시작합니다.
갖지 않고 내부 소스에너지, 중성자별, 블랙홀은 빠르게 냉각됩니다. 그리고 그 표면적이 매우 작기 때문에(수십 평방 킬로미터에 불과) 우리는 이 물체의 밝기가 극도로 낮을 것으로 예상해야 합니다. 실제로 중성자별이나 블랙홀 표면의 열 복사는 아직 관찰되지 않았습니다. 그러나 일부 중성자별은 비열 복사의 강력한 원천입니다. 우리는 대학원생인 Jocelyn Bell이 1967년에 발견한 소위 펄서에 대해 이야기하고 있습니다. 케임브리지 대학교. Bell은 진동하는 무선 소스의 방사선을 연구하기 위해 Anthony Hewish가 개발한 장비를 사용하여 녹음된 무선 신호를 연구했습니다. 혼란스럽게 깜박이는 소스에 대한 많은 녹음 중에서 그녀는 폭발의 강도는 다양하지만 분명한 주기로 반복되는 것을 발견했습니다. 더 자세한 관찰을 통해 펄스의 주기적인 특성이 정확하게 확인되었으며, 다른 기록을 연구하는 동안 동일한 특성을 가진 소스가 두 개 더 발견되었습니다. 관찰과 이론적 분석에 따르면 펄서는 비정상적으로 강한 자기장을 가지고 빠르게 회전하는 중성자별입니다. 방사선의 맥동 특성은 회전하는 중성자별 표면(또는 근처)의 "열점"에서 나오는 광선 빔에 의해 발생합니다. 이 방사선의 상세한 메커니즘은 여전히 과학자들에게 미스터리로 남아 있습니다.
가까운 쌍성계의 일부로 여러 개의 중성자별이 발견되었습니다. X선 방사선의 강력한 원천은 바로 이들 중성자별입니다. 하나의 구성 요소가 거성 또는 초거성이고 다른 하나가 소형 별인 가까운 쌍성을 상상해 봅시다. 조밀한 별의 중력장의 영향으로 가스는 거성의 희박한 대기에서 흘러나올 수 있습니다. 오랫동안 스펙트럼 분석 방법으로 발견된 가까운 쌍성계의 가스 흐름은 적절한 이론적 해석을 받았습니다. 쌍성계의 밀집성이 중성자별이나 블랙홀인 경우, 계의 다른 구성요소에서 탈출하는 가스 분자는 매우 높은 에너지로 가속될 수 있습니다. 분자 간의 충돌로 인해 밀집성 위로 떨어지는 가스의 운동 에너지는 결국 열과 방사선으로 변환됩니다. 추정치에서 볼 수 있듯이, 이 경우에 방출된 에너지는 이러한 유형의 쌍성계에서 관측된 X선 방출 강도를 완전히 설명합니다.
안에 일반 이론아인슈타인의 상대성 이론에서 블랙홀은 그의 특수 상대성 이론에서 초상대론적 입자와 동일한 위치를 차지합니다. 하지만 초상대론적 입자의 세계, 즉 고에너지 물리학이 실험물리학에서 중요한 역할을 하는 놀라운 현상들로 가득 차 있다면, 관측 천문학, 블랙홀과 관련된 현상은 여전히 놀랍습니다. 시간이 지나면 블랙홀 물리학은 우주론에 중요한 결과를 만들어내겠지만 현재로서는 이 과학 분야가 주로 " 운동장"이론가들을 위한 것입니다. 이로 인해 아인슈타인의 중력 이론은 뉴턴의 이론보다 우주에 대한 정보가 적지만 이론적으로는 훨씬 더 우수하다는 결론이 나오지 않습니까? 별말씀을요! 뉴턴의 이론과 달리 아인슈타인의 이론은 실제 우주 전체에 대한 일관된 모델의 기초를 형성합니다. 이 이론은 놀랍고 검증 가능한 많은 예측을 가지고 있으며, 마지막으로 자유 낙하, 회전하지 않는 우주 프레임 사이의 인과 관계를 제공합니다. 참조 및 분포, 우주 공간에서의 질량 이동.
