หลุมดำคืออะไร? ข้อเท็จจริงทฤษฎีและความสับสนเกี่ยวกับการก่อตัวและพฤติกรรมของหลุมดำ

ได้ยินคำว่า 'หลุมดำ' แล้วคุณอาจนึกถึงกระแสน้ำวนที่กำลังหมุนดูดทุกอย่างเข้าสู่กระเพาะอาหารเหมือนคุณลุงของคุณในงานบุฟเฟ่ต์งานแต่งงาน คุณอาจนึกภาพดวงดาวที่ถูกดึงเข้าหามันเหมือนสปาเก็ตตี้ชิ้นหนึ่งกระพือปีกรอบ ๆ โมฆะจนกว่ามันจะหลุดออกจากการดำรงอยู่ ความจริงไม่ได้เรียบง่ายหรืออร่อยเท่า นี่คือไพรเมอร์ของเรา

หลุมดำคืออะไร?

หลุมดำสร้างความสับสนให้กับนักฟิสิกส์มานานหลายศตวรรษ แต่คำอธิบายง่ายๆก็คือพื้นที่ในกาลอวกาศที่มีแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงขนาดนี้แม้แต่แสงก็ไม่สามารถรอดพ้นจากแรงดึงของมันได้

สิ่งแรกที่ต้องทำความเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำก็คือพวกมันไม่ใช่พื้นที่ว่างเปล่า แต่มีความสำคัญมากกว่าที่จะรวมเป็นพื้นที่ขนาดเล็กมาก ตัวอย่างเช่นหลุมดำอาจมีมวล 20 ดวง แต่มีขนาดเท่ากับใจกลางกรุงลอนดอนเท่านั้น ความหนาแน่นดังกล่าวทำให้เกิดสิ่งแปลก ๆ ต่อกฎของเวลาและอวกาศหนึ่งในนั้นคือการปรากฏตัวของอุปสรรคทางทฤษฎีที่เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์

อ่านต่อไป: การพัฒนาหลุมดำเผยให้เห็นไอพ่นโยกเยกที่พบโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์

ดูการพัฒนาหลุมดำที่เกี่ยวข้องเผยให้เห็นไอพ่นโยกเยกที่พบโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์หลุมดำมวลมหาศาลที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยพบนั้นอยู่ห่างออกไป 13.7 พันล้านปีแสง

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นจุดที่ไม่หวนกลับ เมื่อวัตถุเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์มากขึ้นเรื่อย ๆ เส้นทางที่อนุภาคของมันจะโค้งเข้าหาหลุมดำมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อขอบฟ้าเหตุการณ์ถูกทำลายการเปลี่ยนรูปของกาลอวกาศจะยิ่งใหญ่มากจนไม่มีทางที่อนุภาคจะเคลื่อนที่ออกไปด้านนอกได้

นี่คือจุดที่หลุมกลายเป็นสีดำเมื่อแสงไม่สามารถหลบหนีจากการถูกดึงไปข้างหน้าเป็นต้นไปสู่ความเป็นเอกฐานความโน้มถ่วง จุดที่กาลอวกาศบิดเบี้ยวมากความโค้งของมันไม่มีที่สิ้นสุด ที่นี่กฎของฟิสิกส์ทั้งหมดที่เราเข้าใจจะถูกโยนออกไปนอกหน้าต่าง ไม่มีใครรู้จริงๆว่าเกิดอะไรขึ้นที่ภาวะเอกฐาน

หลุมดำใหญ่แค่ไหน?

หลุมดำมีสี่ชั้นแม้ว่าสองหลุมนี้จะเป็นการสมมุติ ที่ปลายด้านบนสุดของสเปกตรัมคือหลุมดำมวลยวดยิ่งซึ่งเชื่อว่าอาศัยอยู่ที่ใจกลางกาแลคซีส่วนใหญ่ หนึ่งในทางช้างเผือกของเราเองที่เรียกว่า Sagittarius A * มีมวลดวงอาทิตย์ 4 ล้านดวงพร้อมขอบฟ้าเหตุการณ์ที่ทอดยาว 44 ล้านกิโลเมตร

ที่ปลายด้านล่างสุดของสเปกตรัมคือหลุมดำขนาดเล็กซึ่งอาจมีขนาดเล็กเท่าอะตอมเดี่ยวแม้ว่าเราจะยังไม่ได้วัดขนาดนี้ก็ตาม ระหว่างสองสิ่งนี้คือหลุมดำมวลปานกลางและหลุมดำที่เป็นดาวฤกษ์ซึ่งสร้างขึ้นโดยการล่มสลายของดาวฤกษ์โดยมีมวลดวงอาทิตย์ประมาณสามเท่าหรือมากกว่านั้น black_hole_nasa

(ศิลปินประทับใจหลุมดำที่เป็นดาวฤกษ์Cygnus X-1 เครดิต:NASA / CXC / M. Weiss)

อีกประเภทหนึ่งที่น่าสนใจคือหลุมดำดึกดำบรรพ์ซึ่งเสนอโดย Stephen Hawking ครั้งแรกในปี 1971 หลุมดำสมมุติเหล่านี้อาจก่อตัวขึ้นในช่วงกำเนิดเอกภพก่อนที่ดาวฤกษ์จะเกิดขึ้นและอาจมีคำอธิบายที่สำคัญสำหรับการดำรงอยู่ของสสารมืด .

อ่านต่อไป: การจำลองจักรวาลของเราที่มีรายละเอียดมากที่สุดเท่าที่เคยมีมานั้นครอบคลุมระยะเวลาหนึ่งพันล้านปีแสง

ความพยายามในการค้นหาพวกเขามาจนถึงตอนนี้แห้งแล้งแม้ว่าสิ่งนี้จะเปลี่ยนแปลงไปได้ด้วยความร่วมมือของ Ligo-Virgo และการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ความสามารถในการตรวจจับระลอกคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศสามารถปูทางไปสู่การตรวจสอบเพิ่มเติมได้โดยมองย้อนเวลากลับไปในการรวมหลุมดำที่ดาวฤกษ์ก่อนวันที่

จะเกิดอะไรขึ้นกับฉันถ้าฉันตกลงไปในหลุมดำ?

หากคุณโชคไม่ดีพอที่จะพบว่าตัวเองถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ (คำสัญญาของฉัน) สิ่งแปลก ๆ บางอย่างกำลังจะเกิดขึ้นกับคุณและบางสิ่งที่แปลกประหลาดก็กำลังจะเกิดขึ้นกับคนที่เฝ้าดูคุณจากระยะที่ปลอดภัย

จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อวัตถุล่วงล้ำขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นไม่สามารถเข้าใจได้โดยง่ายและนั่นเป็นเพราะนี่คือประเด็นที่เมื่อแบบจำลองฟิสิกส์สองแบบที่แตกต่างกัน - กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขัดแย้งกัน

มีการเขียนรูปสี่เหลี่ยมนี้ที่ยอดเยี่ยมซึ่งเรียกว่า Black hole information paradox - โดย Amanda Gefter สำหรับBBC . ความสำคัญของมันคือสำหรับใครบางคนที่เฝ้าดูคุณทำลายขอบฟ้าของเหตุการณ์คุณจะถูกลบเลือนไปอย่างช้าๆโดยการบิดเบือนของอวกาศการชะลอตัวของเวลาและความร้อนของรังสี Hawkings ซึ่งเป็นสิ่งที่จะสลายไปในที่สุด หลุมดำ.

คุณตายแล้วใช่ไหม? ไม่ตรง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคุณจะผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์โดยไม่สังเกตเห็นผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเพราะคุณจะตกอยู่ในความว่างเปล่า (สิ่งที่ไอน์สไตน์เรียกเขาว่า ความคิดที่มีความสุขที่สุด ), ร่วงลงไปสู่ความเป็นเอกฐาน

แต่คุณจะเดินทางผ่านอวกาศและถูกไฟไหม้ในเวลาเดียวกันได้อย่างไร? ความไม่แน่ใจนี้เกิดขึ้นเนื่องจากฟิสิกส์ควอนตัมกล่าวว่าข้อมูลไม่สามารถสูญหายได้ดังนั้นร่างกายของคุณจึงต้องอยู่นอกขอบฟ้า อย่างไรก็ตามหากคุณไม่ข้ามเส้นขอบฟ้าของเหตุการณ์คุณจะละเมิดกฎของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งสมมติฐานวิธีแก้ปัญหามากมายเพื่อปรับให้เข้ากันได้กับกฎแห่งธรรมชาติที่ขัดแย้งกันเหล่านี้ แต่ความขัดแย้งนี้เป็นเครื่องหมายคำถามต่อเนื่องที่เป็นหัวใจสำคัญของฟิสิกส์

เมื่อพูดถึงหลุมดำไม่ใช่แค่แสงสว่างเท่านั้นที่ไม่สามารถหลุดรอดออกไปได้ แต่ยังรวมถึงสมองของนักคิดรุ่นต่อรุ่นด้วย