الفلك

هل يمكن أن تؤثر الطاقة المظلمة أو المادة المظلمة على الثقوب السوداء

هل يمكن أن تؤثر الطاقة المظلمة أو المادة المظلمة على الثقوب السوداء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كنت أتساءل عما إذا كانت الثقوب السوداء هي أعظم قوة جاذبية ، فكيف يمكن مقارنة الآخرين الذين يتحدثون بشدة عن مفاهيم مثل الطاقة المظلمة أو المادة المظلمة. هل يستطيع الثقب الأسود امتصاص الطاقة المظلمة أو المادة المظلمة؟ على الرغم من أن المادة المظلمة كانت تربط المجرات معًا. إذا كان الثقب الأسود قادرًا على امتصاص المادة المظلمة ، فستكون هذه مشكلة: بمعنى أن الكون يصبح أصغر؟


يمكن للمادة المظلمة ، وربما تسقط ، في الثقوب السوداء وتؤثر عليها تمامًا مثل أي شكل آخر من أشكال المادة أو الطاقة التي تسقط فيها. إنه لا يقع بكمية كبيرة لأنه ، مثل أي شيء آخر يقترب من ثقب أسود ، فإنه عادة لا يستهدف مباشرة ، ولكنه يخطئ قليلاً ويتأرجح ويهرب مرة أخرى. على عكس المادة العادية ، لا تتعرض المادة المظلمة تقريبًا لأي احتكاك أو تصادمات من أشياء أخرى بالقرب من الثقب الأسود (إنها تمر مباشرة عبر كل شيء ، بما في ذلك نفسها ، على ما نعتقد) لذلك لا تعلق في قرص التراكم أو أي شيء. لا تؤثر المادة المظلمة التي تسقط في وسط SMBH كثيرًا على المجرة ، لأن كتلتها لا تزال تسحب النجوم وما إلى ذلك تمامًا كما فعلت قبل أن تسقط فيها.

الطاقة المظلمة قصة أخرى. في معظم النظريات المتنافسة المختلفة التي توجد فيها ، فهي طاقة متأصلة في الفضاء. يحتوي كل متر مكعب من الفضاء على كمية معينة (صغيرة) من الطاقة المظلمة ، والتي لا يمكنها التحرك أو أي شيء. يظهر كشيء مثل الضغط ، مما يتسبب في تمدد الفضاء عندما لا توجد قوة أكبر (مثل جاذبية الكتل القريبة) مما يؤدي إلى تقلصه.


يمكن أن تسقط المادة المظلمة بالتأكيد في الثقب الأسود. لا أحد متأكد من ماهية المادة المظلمة ، لكن يتفق الجميع على أن تأثيرها الثقالي على المجرات يثبت وجودها. إحدى الأفكار الشائعة ولكن المضاربة للغاية هي أنها مصنوعة من جزيئات ضخمة ذات تفاعل ضعيف (WIMPS) والتي نادراً ما تتفاعل مع المادة الطبيعية ، ولكن حتى الآن لم يكتشف فيزيائيو الجسيمات أو يعزلوا WIMP. الشيء الوحيد الذي يقبله الجميع عنهم هو أنهم يتفاعلون بقوة الجاذبية. في هذه الحالة ، لن يكون لديهم خيار سوى الانجرار إلى ثقب أسود إذا كانوا قريبين جدًا منه. نظرًا لأنها ، مثل النيوترينوات ، نادرًا ما تتفاعل مع المادة ولن يكون هناك احتكاك أو ضغط ناتج عنها ، فإنها لن تضيء قرص التراكم ، ولكن عندما تدخل الثقب الأسود فإنها تزيد من كتلته.

أما الطاقة المظلمة فليس الجميع مقتنعًا بوجودها. يقال إنه يجعل الفضاء بين المجرات يتوسع بشكل أسرع مما كان عليه الحال منذ زمن بعيد ، لكن لا أحد يعرف كيف يفعل هذا أو أي نوع من الجسيمات يمكن أن يحمل هذه الطاقة. قد تشير المزيد من البيانات إلى أن الطاقة المظلمة هي مجرد وهم ، ولكن كما تبدو الأمور ، يُعتقد أن هذا الإسراع في التوسع سيمنع الجاذبية في النهاية مما يؤدي في النهاية إلى توقف التمدد وبدء الانهيار ، لذلك سيستمر الكون في التوسع إلى الأبد ...


ما هي المادة المظلمة؟

منذ الثلاثينيات من القرن الماضي ، حاول علماء الفيزياء الفلكية تفسير سبب قدرة المادة المرئية في المجرات على تفسير كيفية تشكل المجرات أو سلوكها. إنهم يعتقدون أن شكلاً من أشكال المادة المظلمة أو غير المرئية ينتشر في كوننا ، لكنهم ما زالوا لا يعرفون ما يمكن أن تكون عليه هذه المادة المظلمة. الصورة عبر ScienceAlert.

المادة المظلمة هي مادة غامضة يعتقد أنها تشكل ربما حوالي 27٪ من تركيب الكون. ما هذا؟ & # 8217s أسهل قليلاً أن أقول ما هو isn & # 8217t.

إنها ليست & # 8217t ذرات عادية & # 8211 اللبنات الأساسية لأجسامنا وكل ما نراه من حولنا & # 8211 لأن الذرات تشكل فقط في مكان ما حوالي 5 ٪ من الكون ، وفقًا لنموذج كوني يسمى نموذج Lambda Cold Dark Matter Model (يُعرف أيضًا باسم نموذج Lambda-CDM ، أو أحيانًا النموذج القياسي فقط).

المادة المظلمة ليست مثل الظلام طاقة، والتي تشكل حوالي 68٪ من الكون ، وفقًا للنموذج القياسي.

المادة المظلمة غير مرئية فهي لا تصدر أو تعكس أو تمتص الضوء أو أي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الأشعة السينية أو موجات الراديو. وبالتالي ، فإن المادة المظلمة غير قابلة للكشف بشكل مباشر ، حيث إن جميع ملاحظاتنا للكون ، بصرف النظر عن اكتشاف موجات الجاذبية ، تتضمن التقاط الإشعاع الكهرومغناطيسي في تلسكوباتنا.

ومع ذلك ، تتفاعل المادة المظلمة مع المادة العادية. إنها تظهر تأثيرات جاذبية قابلة للقياس على الهياكل الكبيرة في الكون مثل المجرات والعناقيد المجرية. لهذا السبب ، يستطيع علماء الفلك عمل خرائط لتوزيع المادة المظلمة في الكون ، على الرغم من أنهم لا يستطيعون رؤيتها مباشرة.

يفعلون ذلك عن طريق قياس تأثير المادة المظلمة على المادة العادية ، من خلال الجاذبية.

تُظهر هذه الصورة التي تغطي السماء بالكامل & # 8211 الصادرة في عام 2013 & # 8211 توزيع المادة المظلمة عبر تاريخ الكون بأكمله كما يُرى في السماء. إنها & # 8217s استنادًا إلى البيانات التي تم جمعها مع وكالة الفضاء الأوروبية والقمر الصناعي بلانك # 8217s. تمثل المناطق ذات اللون الأزرق الداكن المناطق الأكثر كثافة من المناطق المحيطة بها. تمثل المناطق المضيئة مناطق أقل كثافة. تتوافق الأجزاء الرمادية من الصورة مع بقع من السماء حيث يمنع الانبعاث الأمامي ، بشكل رئيسي من مجرة ​​درب التبانة ولكن أيضًا من المجرات القريبة ، علماء الكون من الرؤية بوضوح. الصورة عبر ESA.

يوجد حاليًا جهد دولي ضخم لتحديد طبيعة المادة المظلمة. من خلال جلب مخزون من التكنولوجيا المتقدمة للتعامل مع المشكلة ، صمم علماء الفلك كواشف أكثر تعقيدًا وحساسية لاستنباط هوية هذه المادة الغامضة.

قد تتكون المادة المظلمة من جسيم دون ذري غير معروف حتى الآن من نوع مختلف تمامًا عما يسميه العلماء المادة الباريونية & # 8211 التي & # 8217s مجرد مادة عادية ، الأشياء التي نراها في كل مكان من حولنا & # 8211 وهي مصنوعة من ذرات عادية مبنية من البروتونات والنيوترونات.

تنقسم قائمة الجسيمات دون الذرية المرشحة إلى مجموعات قليلة: هناك WIMPs (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل) ، وهي فئة من الجسيمات يعتقد أنها قد نتجت في بدايات الكون. يعتقد علماء الفلك أن WIMPs قد تقضي على نفسها عندما تصطدم ببعضها البعض ، لذلك بحثوا في السماء عن آثار منبهة لأحداث مثل إطلاق النيوترينوات أو أشعة جاما. حتى الآن ، لم يجدوا شيئًا. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن نظرية تسمى التناظر الفائق تتنبأ بوجود جسيمات لها نفس خصائص WIMPs ، إلا أن عمليات البحث المتكررة للعثور على الجسيمات مباشرة لم تعثر أيضًا على شيء ، والتجارب في مصادم الهادرونات الكبير للكشف عن الوجود المتوقع للتناظر الفائق فشلت تمامًا في ابحث عنه.

تم استخدام عدة أنواع مختلفة من الكاشفات للكشف عن WIMPs. الفكرة العامة هي أنه في بعض الأحيان ، قد يصطدم WIMP مع ذرة عادية ويطلق وميضًا خافتًا من الضوء ، والذي يمكن اكتشافه. الكاشف الأكثر حساسية الذي تم تصنيعه حتى الآن هو XENON1T ، والذي يتكون من أسطوانة بطول 10 أمتار تحتوي على 3.2 طن من الزينون السائل ، محاطًا بمضاعفات ضوئية لاكتشاف وتضخيم الومضات الخافتة بشكل لا يصدق من هذه التفاعلات النادرة. اعتبارًا من يوليو 2019 ، عندما تم إيقاف تشغيل الكاشف لتمهيد الطريق لأداة أكثر حساسية ، XENONnT ، لم يتم رؤية أي تصادمات بين WIMPs وذرات الزينون.

على الرغم من أن WIMPs لطالما كانت المرشح المفضل للمادة المظلمة ، إلا أنها ليست المرشحة الوحيدة. أدى الفشل في العثور على WIMPs ، والإحباط المصاحب لعدم القدرة على حساب نسبة كبيرة من كتلة الكون و # 8217s ، بالعديد من العلماء إلى النظر في البدائل الممكنة.

في الوقت الحالي ، يحظى جسيم افتراضي يسمى الأكسيون باهتمام كبير. بالإضافة إلى كونه مرشحًا قويًا للمادة المظلمة ، يُعتقد أيضًا أن وجود الأكسيونات يوفر إجابات لبعض الأسئلة الأخرى المستمرة في الفيزياء مثل مشكلة CP القوية.

تنبأ عالم الفلك فريتز زويكي لأول مرة بوجود المادة المظلمة في ثلاثينيات القرن الماضي بعد ملاحظاته عن مجموعة مجرات كوما. الصورة عبر zwicky-stiftung.ch.

فكرة أنه قد تكون هناك أشياء في الكون غير مرئية لنا ، ولا تصدر ضوءًا ، لها تاريخ طويل يعود إلى مئات السنين إلى أيام نيوتن. مع اكتشاف ما يسمى بـ "السدم المظلمة" - سحب الغبار بين النجوم التي تحجب الضوء من النجوم الخلفية - وتكهنات بيير لابلاس في القرن الثامن عشر حول الأجسام التي قد تبتلع الضوء ، والتي أصبحت تُعرف فيما بعد بالثقوب السوداء ، توصل علماء الفلك إلى قبول وجود ما يسمى ب "الكون المظلم".

لكن في العصر الحديث ، كان عالم الفلك فريتز زويكي ، في ثلاثينيات القرن الماضي ، هو من قام بأول ملاحظات لما نسميه الآن المادة المظلمة. يبدو أن ملاحظاته لعام 1933 عن مجموعة المجرات الغيبوبة تشير إلى أن كتلتها تزيد بمقدار 500 مرة عن الكتلة التي حسبها إدوين هابل سابقًا. علاوة على ذلك ، بدت هذه الكتلة الزائدة غير مرئية تمامًا. على الرغم من أن ملاحظات زويكي قوبلت في البداية بالكثير من الشكوك ، فقد تم تأكيدها لاحقًا من قبل مجموعات أخرى من علماء الفلك.

بعد ثلاثين عامًا ، قدمت عالمة الفلك فيرا روبن دليلًا كبيرًا على وجود المادة المظلمة. اكتشفت أن مراكز المجرات تدور بنفس سرعة أطرافها ، بينما ، بالطبع ، يجب أن تدور بشكل أسرع. فكر في فينيل LP على سطح تسجيل: يدور مركزه أسرع من حافته. هذا ما يفرضه المنطق علينا أن نراه في المجرات أيضًا. لكننا لا. الطريقة الوحيدة لشرح ذلك هي ما إذا كانت المجرة بأكملها هي مركز هيكل أكبر بكثير ، كما لو كانت مجرد التسمية الموجودة على LP إذا جاز التعبير ، مما يتسبب في أن يكون للمجرة سرعة دوران ثابتة من المركز إلى الحافة.

افترضت فيرا روبين ، بعد زويكي ، أن البنية المفقودة في المجرات هي المادة المظلمة. قوبلت أفكارها بمقاومة كبيرة من المجتمع الفلكي ، ولكن تم تأكيد ملاحظاتها ويُنظر إليها اليوم كدليل محوري على وجود المادة المظلمة. تكريمًا لهذا العمل الاستقصائي الهام والتاريخي نحو إثبات وجود المادة المظلمة ، تم مؤخرًا تغيير اسم تلسكوب المسح الشامل الثوري الكبير ، قيد الإنشاء حاليًا في تشيلي والمقرر أن يرى الضوء الأول في العام المقبل ، إلى مرصد فيرا سي روبين.

رائدة المادة المظلمة فيرا روبن (1928-2016). تم التقاط هذه الصورة & # 8211 في مرصد لويل & # 8211 من عام 1965. الصورة من معهد كارنيجي / NPR.

حاول بعض علماء الفلك إنكار الحاجة إلى وجود المادة المظلمة تمامًا من خلال افتراض شيء يسمى الديناميكيات النيوتونية المعدلة (MOND). الفكرة وراء ذلك هي أن الجاذبية تتصرف على مسافات طويلة بشكل مختلف عما تفعله محليًا ، وهذا الاختلاف في السلوك يفسر ظواهر مثل منحنيات دوران المجرة التي ننسبها إلى المادة المظلمة. على الرغم من أن MOND له مؤيديه ، في حين أنه يمكن أن يفسر منحنى دوران مجرة ​​فردية ، فإن الإصدارات الحالية من MOND لا يمكنها ببساطة تفسير سلوك وحركة المادة في الهياكل الكبيرة مثل عناقيد المجرات ، وفي شكلها الحالي ، يُعتقد أنها غير قادرة لتفسير وجود المادة المظلمة تمامًا. وهذا يعني الجاذبية يفعل تتصرف بنفس الطريقة في جميع مقاييس المسافة. من ناحية أخرى ، تحتوي معظم إصدارات MOND اثنين إصدارات الجاذبية ، وهي الأضعف التي تحدث في مناطق ذات تركيز كتلة منخفض مثل ضواحي المجرات. ومع ذلك ، ليس من غير المتصور أن بعض الإصدارات الجديدة من MOND في المستقبل قد تكون مسؤولة حتى الآن عن المادة المظلمة.

على الرغم من أن بعض علماء الفلك يعتقدون أننا سنؤسس طبيعة المادة المظلمة في المستقبل القريب ، إلا أن البحث حتى الآن أثبت عدم جدواه ، ونعلم أن الكون غالبًا ما يفاجئنا حتى لا يمكن اعتبار أي شيء أمرًا مفروغًا منه.

النهج الذي يتبعه علماء الفلك هو القضاء على تلك الجسيمات التي لا تستطيع تكون مادة مظلمة ، على أمل أن نترك مع المادة التي هو.

يبقى أن نرى ما إذا كان هذا النهج هو النهج الصحيح.

الخلاصة: تشكل المادة المظلمة حوالي 27٪ من الكون وفقًا للنظريات الفلكية. لا يمكن رؤيته أو اكتشافه مباشرة من خلال الأدوات الحالية لعلماء الفلك ، ولكن يمكن قياس تأثيره من خلال جاذبيته على المادة العادية.


اسأل إيثان: هل يمكن أن تتفاعل الثقوب السوداء مع المادة المظلمة؟

رسم توضيحي لثقب أسود نشط ، ثقب يراكم المادة ويسرع جزءًا منها. [+] للخارج في نفاثتين متعامدتين. تصف المادة العادية التي تخضع لتسارع مثل هذا كيف تعمل الكوازارات بشكل جيد للغاية. المادة التي تقع في الثقب الأسود ، من أي نوع ، ستكون مسؤولة عن نمو إضافي في حجم أفق الكتلة والحدث للثقب الأسود ، سواء كانت مادة عادية أو مادة مظلمة.

الثقوب السوداء هي بعض من أكثر الأشياء تطرفا في الكون: الأماكن الوحيدة التي يوجد فيها الكثير من الطاقة في حجم صغير من الفضاء بحيث يتم إنشاء أفق الحدث. عندما تتشكل ، يتم سحق الذرات والنوى وحتى الجسيمات الأساسية نفسها إلى حجم صغير عشوائيًا - إلى التفرد - في فضاءنا ثلاثي الأبعاد. في الوقت نفسه ، فإن كل ما يمر عبر أفق الحدث محكوم عليه بالفشل إلى الأبد ، مما يضيف ببساطة إلى جاذبية الثقب الأسود. ماذا يعني ذلك بالنسبة للمادة المظلمة؟ يسأل مؤيد باتريون كيلوبوغ:

كيف تتفاعل المادة المظلمة مع الثقوب السوداء؟ هل يتم امتصاصه في التفرد مثل المادة العادية ، مما يساهم في كتلة الثقب الأسود؟ إذا كان الأمر كذلك ، فعندما يتبخر الثقب الأسود من خلال إشعاع هوكينغ ، ماذا يحدث [له]؟

للإجابة على هذا ، علينا أن نبدأ من البداية: بما هو الثقب الأسود في الواقع.

كان أول إطلاق من مركز الفضاء كيب كينيدي التابع لناسا لصاروخ أبولو 4. على الرغم من أنه . [+] تسارعت ليس أسرع من السيارة الرياضية ، وكان مفتاح نجاحها هو أن التسارع استمر لفترة طويلة ، مما مكن الحمولات من الهروب من الغلاف الجوي للأرض والدخول في المدار. في النهاية ، ستمكن الصواريخ متعددة المراحل البشر من الهروب تمامًا من جاذبية الأرض. صواريخ ساتورن 5 نقلت البشرية في وقت لاحق إلى القمر.

هنا على الأرض ، إذا كنت تريد إرسال شيء ما إلى الفضاء ، فأنت بحاجة إلى التغلب على جاذبية الأرض. الطريقة التي نفكر بها عادةً هي من حيث موازنة شكلين من الطاقة: طاقة الجاذبية الكامنة التي توفرها الأرض نفسها على سطحها ، مقارنةً بالطاقة الحركية التي يجب أن تضيفها إلى حمولتك للهروب من جاذبية الأرض .

إذا قمت بموازنة هذه الطاقات ، يمكنك اشتقاق سرعة الهروب الخاصة بك: ما السرعة التي يجب أن تجعل الجسم يعمل بها حتى يصل في النهاية إلى مسافة كبيرة اعتباطية بعيدًا عن الأرض. على الرغم من أن الأرض لها غلاف جوي ، مما يوفر مقاومة لتلك الحركة ويتطلب منا نقل طاقة أكبر للحمولة مما قد توحي به سرعة الهروب ، فإن سرعة الهروب لا تزال مفهومًا فيزيائيًا مفيدًا بالنسبة لنا للنظر فيه.

إذا لم يكن للأرض غلاف جوي ، فإن إطلاق قذيفة مدفعية بسرعة معينة سيكون كافيًا لذلك. [+] تحديد ما إذا كان قد سقط مرة أخرى على الأرض (أ ، ب) ، أو بقي في مدار مستقر حول الأرض (ج ، د) ، أو هرب من جاذبية الأرض (هـ). بالنسبة لجميع الأجسام التي ليست ثقوبًا سوداء ، فإن كل هذه المسارات الخمسة ممكنة. بالنسبة للأجسام ذات الثقوب السوداء ، فإن المسارات مثل C و D و E تكون مستحيلة داخل أفق الحدث.

مستخدم ويكيميديا ​​كومنز براين برونديل

بالنسبة لكوكبنا ، فإن تلك السرعة المحسوبة - أو سرعة الهروب - هي في مكان ما حوالي 25000 ميل في الساعة (أو 11.2 كم / ثانية) ، والتي يمكن للصواريخ التي طورناها على الأرض تحقيقها بالفعل. أطلقت الصواريخ متعددة المراحل مركبات فضائية بعيدة عن متناول جاذبية الأرض منذ الستينيات ، وحتى بعيدًا عن جاذبية الشمس منذ السبعينيات. لكن هذا لا يزال ممكنًا فقط بسبب بُعدنا عن سطح الشمس في موقع مدار الأرض.

إذا كنا بدلاً من ذلك على سطح الشمس ، فإن السرعة التي نحتاج إلى تحقيقها للهروب من جاذبية الشمس - سرعة الهروب - ستكون أكبر بكثير: حوالي 55 ضعفًا ، أو 617.5 كم / ثانية. عندما تموت شمسنا ، فإنها ستتقلص إلى قزم أبيض ، بحوالي 50٪ من كتلة الشمس الحالية ولكن فقط بالحجم المادي للأرض. في هذه الحالة ، ستكون سرعة هروبها حوالي 4.570 كم / ث ، أو حوالي 1.5٪ من سرعة الضوء.

سيريوس أ وب ، نجم عادي (شبيه بالشمس) ونجم قزم أبيض. هناك نجوم تحصل على. [+] الطاقة من تقلص الجاذبية ، لكنها الأقزام البيضاء ، والتي هي أخف بملايين المرات من النجوم التي نعرفها أكثر. لم يكن الأمر كذلك حتى فهمنا الاندماج النووي حتى بدأنا نفهم كيف تتألق النجوم.

ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية وج. بيكون (STScI)

هناك درس قيم في مقارنة الشمس ، كما هي اليوم ، بمصير الشمس في المستقبل البعيد كقزم أبيض. مع تزايد تركيز الكتلة في منطقة صغيرة من الفضاء ، تزداد السرعة المطلوبة للهروب من هذا الجسم. إذا سمحت بارتفاع كثافة الكتلة ، إما عن طريق ضغطها إلى حجم أصغر أو إضافة المزيد من الكتلة إلى نفس الحجم ، فإن سرعة الهروب لديك ستقترب أكثر فأكثر من سرعة الضوء.

هذا هو الحد الرئيسي. بمجرد أن تصل سرعة الهروب على سطح الجسم إلى سرعة الضوء أو تتجاوزها ، لا يقتصر الأمر على عدم قدرة الضوء على الخروج ، بل إنه إلزامي (في النسبية العامة) أن ينهار كل شيء داخل هذا الكائن حتماً و / أو يسقط فيه. التفرد المركزي. السبب بسيط: نسيج الفضاء نفسه يسقط نحو المناطق المركزية أسرع من سرعة الضوء. الحد الأقصى لسرعتك أقل من السرعة التي تتحرك بها المساحة الموجودة أسفل قدميك ، وبالتالي لا مفر من ذلك.

داخل وخارج أفق الحدث ، يتدفق الفضاء مثل ممر متحرك أو شلال. [+] اعتمادًا على الطريقة التي تريد أن تتخيلها. في أفق الحدث ، حتى لو ركضت (أو سبحت) بسرعة الضوء ، فلن يكون هناك تجاوز لتدفق الزمكان ، الذي يسحبك إلى التفرد في المركز. خارج أفق الحدث ، على الرغم من ذلك ، يمكن للقوى الأخرى (مثل الكهرومغناطيسية) أن تتغلب في كثير من الأحيان على سحب الجاذبية ، مما يتسبب في هروب حتى المادة المتساقطة.

أندرو هاميلتون / جيلا / جامعة كولورادو

لذا ، إذا كنت بعيدًا في أي وقت عن التفرد المركزي وتحاول حمل جسم بعيد جدًا في مواجهة الانهيار التثاقلي ، فلا يمكنك فعل هذا الانهيار أمر لا مفر منه. والطريقة الأكثر شيوعًا لتجاوز هذا الحد في المقام الأول بسيطة: ابدأ بنجم أكبر حجمًا بحوالي 20-40 ضعف كتلة شمسنا.

مثل كل النجوم الحقيقية ، تعيش حياتها من خلال حرق الوقود النووي في منطقتها الأساسية. عندما يتم استهلاك هذا الوقود ، ينهار المركز تحت تأثير جاذبيته ، مما يؤدي إلى انفجار مستعر أعظم كارثي. يتم طرد الطبقات الخارجية ، لكن المنطقة الوسطى ، كونها ضخمة بدرجة كافية ، تنهار إلى ثقب أسود. هذه الثقوب السوداء "ذات الكتلة النجمية" ، التي تمتد على مدى تقريبي من 8 إلى 40 كتلة شمسية ، سوف تنمو بمرور الوقت ، لأنها تستهلك أي مادة أو طاقة تتجرأ على المجازفة بالقرب منها. حتى إذا تحركت بسرعة الضوء عند عبور أفق الحدث ، فلن تخرج مرة أخرى أبدًا.

تشريح نجم ضخم جدًا طوال حياته ، وبلغ ذروته في مستعر أعظم من النوع الثاني. في ال . [+] نهاية عمرها ، إذا كان اللب ضخمًا بدرجة كافية ، فإن تكوين الثقب الأسود أمر لا مفر منه على الإطلاق.

نيكول راجر فولر عن NSF

في الواقع ، بمجرد عبورك أفق الحدث ، من المحتم أن تواجه التفرد المركزي. ومن منظور مراقب خارجي ، بمجرد عبور حدود أفق الحدث ، كل ما عليك فعله هو إضافة كتلة الثقب الأسود وطاقته وشحنته وزخمه الزاوي.

من خارج الثقب الأسود ، ليس لدينا طريقة للحصول على معلومات حول ما كان يتكون منه في البداية. سيبدو الثقب الأسود (المحايد) المصنوع من البروتونات والإلكترونات والنيوترونات والمادة المظلمة أو حتى المادة المضادة متطابقًا. في الواقع ، لا يوجد سوى ثلاث خصائص على الإطلاق يمكننا ملاحظتها حول الثقب الأسود من موقع خارجي:

  1. كتلته
  2. شحنتها الكهربائية ،
  3. وزخمه الزاوي (أو دورانه الداخلي).

رسم توضيحي للزمكان شديد الانحناء ، خارج أفق الحدث للثقب الأسود. كما تحصل. [+] أقرب وأقرب إلى موقع الكتلة ، يصبح الفضاء منحنيًا بدرجة أكبر ، مما يؤدي في النهاية إلى موقع لا يمكن للضوء أن يهرب منه: أفق الحدث. يتم تحديد نصف قطر هذا الموقع من خلال كتلة الثقب الأسود وشحنته وزخمه الزاوي وسرعة الضوء وقوانين النسبية العامة وحدها.

مستخدم Pixabay JohnsonMartin

من المعروف أن المادة المظلمة ، على الرغم من معرفتنا لها ، لها كتلة وليس شحنة كهربائية. الزخم الزاوي الذي تضيفه إلى الثقب الأسود يعتمد كليًا على مساره الأولي. إذا كنت مهتمًا بأرقام كمومية أخرى - على سبيل المثال ، لأنك كنت تفكر في مفارقة معلومات الثقب الأسود - فستكون منزعجًا لمعرفة أن المادة المظلمة لا تحتوي عليها.

لا تحتوي المادة المظلمة على شحنة لونية ، أو رقم باريون ، أو رقم ليبتون ، أو رقم عائلة ليبتون ، وما إلى ذلك ، ولأن الثقوب السوداء تتكون من موت النجوم فائقة الكتلة (أي مادة باريونية عادية) ، فإن التكوين الأولي للثقب الأسود المشكل حديثًا هو دائمًا ما يقرب من 100٪ مادة عادية و 0٪ مادة مظلمة. على الرغم من عدم وجود طريقة محددة لمعرفة ماهية الثقوب السوداء من الخارج وحده ، فقد شهدنا تشكيلًا مباشرًا لثقب أسود من نجم سلف لا علاقة له بالمادة المظلمة.

تُظهر الصور المرئية / القريبة من الأشعة تحت الحمراء من هابل نجمًا هائلًا ، كتلته حوالي 25 ضعف كتلة الشمس. [+] اختفى من الوجود ، بدون سوبر نوفا أو أي تفسير آخر. الانهيار المباشر هو التفسير المعقول الوحيد المرشح ، وهو أحد الطرق المعروفة ، بالإضافة إلى المستعرات الأعظمية أو اندماج النجوم النيوترونية ، لتشكيل ثقب أسود لأول مرة.

هناك سبب وجيه للاعتقاد بأن المادة المظلمة لا تلعب دورًا في التكوين الأولي للثقوب السوداء ، ولكنها ستلعب دورًا في نمو الثقوب السوداء بمرور الوقت: من خلال الطرق التي تتفاعل بها ولا تتفاعل.

تذكر أن المادة المظلمة تتفاعل فقط عن طريق الجاذبية ، على عكس المادة العادية ، التي تتفاعل عبر قوى الجاذبية والضعيفة والكهرومغناطيسية والقوية. نعم ، ربما يوجد خمسة أضعاف كمية المادة المظلمة في المجرات والعناقيد الكبيرة مقارنة بالمادة العادية ، ولكن هذا يلخص الهالة الضخمة بأكملها. في مجرة ​​نموذجية ، تمتد هالة المادة المظلمة هذه لمليون سنة ضوئية أو أكثر ، كرويًا ، في جميع الاتجاهات. قارن ذلك مع المادة العادية ، التي تتركز في قرص لا يشغل سوى 0.01٪ من حجم المادة المظلمة.

هالة من المادة المظلمة المتكتلة بكثافات متفاوتة وهيكل كبير جدًا ومنتشر ، كما هو متوقع. [+] عن طريق المحاكاة ، مع عرض الجزء المضيء من المجرة على نطاق واسع. نظرًا لوجود المادة المظلمة في كل مكان ، يجب أن تؤثر على حركة كل شيء من حولها. يبلغ الحجم الذي تشغله هالة المادة المظلمة النموذجية حوالي 10000 ضعف الحجم الذي تشغله المادة العادية.

ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية وتي.براون وجيه توملينسون (STScI)

تميل الثقوب السوداء إلى التكون في المناطق الداخلية من المجرة ، حيث تهيمن المادة الطبيعية على المادة المظلمة. فكر فقط في منطقة الفضاء التي نتواجد فيها: حول شمسنا. إذا رسمنا كرة يبلغ نصف قطرها 100 وحدة فلكية (حيث يمثل الاتحاد الأفريقي مسافة الأرض من الشمس) حول نظامنا الشمسي ، فسنحصر جميع الكواكب والأقمار والكويكبات وحزام كايبر بأكمله تقريبًا. سنضع أيضًا كمية لا بأس بها من المادة المظلمة في هذا الحجم.

من الناحية الكمية ، على الرغم من ذلك ، فإن الكتلة الباريونية - المادة الطبيعية - داخل هذا المجال ستهيمن عليها شمسنا ، وتزن حوالي 2 × 10 30 كجم. (كل شيء آخر ، مجتمعة ، يضيف فقط 0.2٪ أخرى إلى هذا المجموع). من ناحية أخرى ، الكمية الإجمالية للمادة المظلمة في نفس المجال؟ فقط حوالي 1 × 10 19 كجم ، أو 0.0000000005٪ فقط من كتلة المادة العادية في نفس المنطقة. كل المادة المظلمة مجتمعة هي تقريبا نفس كتلة كويكب متواضع مثل جونو.

في النظام الشمسي ، لتقريب أول ، تحدد الشمس مدارات الكواكب. إلى أ. [+] التقريب الثاني ، كل الكتل الأخرى (مثل الكواكب والأقمار والكويكبات ، إلخ) تلعب دورًا كبيرًا. ولكن لإضافة المادة المظلمة ، يجب أن نكون حساسين بشكل لا يصدق: إن المساهمة الكاملة لكل المادة المظلمة في حدود 100 وحدة فلكية من الشمس هي تقريبًا نفس مساهمة كتلة جونو ، وهو الكويكب الحادي عشر من حيث الحجم (من حيث الحجم) ).

بمرور الوقت ، ستصطدم المادة المظلمة والمادة العادية مع هذا الثقب الأسود ، ويتم امتصاصهما وزيادة كتلته. ستأتي الغالبية العظمى من نمو كتلة الثقب الأسود من المادة العادية وليس المادة المظلمة ، على الرغم من أنه في مرحلة ما ، بعد حوالي 10 22 عامًا من المستقبل ، سيتجاوز معدل اضمحلال الثقب الأسود معدل نمو الثقب الأسود.

ينتج عن عملية إشعاع هوكينغ انبعاث الجسيمات والفوتونات من خارج أفق الحدث للثقب الأسود ، مما يحافظ على كل الطاقة والشحنة والزخم الزاوي من داخل الثقب الأسود. ربما تكون المعلومات المشفرة على السطح مشفرة بطريقة ما في الإشعاع أيضًا: هذا هو جوهر مفارقة معلومات الثقب الأسود.

يمكن أن تكون أجزاء من المعلومات المشفرة على سطح الثقب الأسود متناسبة مع الحدث. [+] مساحة الأفق. عندما يتحلل الثقب الأسود ، يتحلل إلى حالة من الإشعاع الحراري. ما إذا كانت هذه المعلومات نجت وتم تشفيرها في الإشعاع أم لا ، وإذا كان الأمر كذلك ، فكيف ، ليس سؤالًا يمكن لنظرياتنا الحالية أن تقدم إجابته.

ت. باكر / دكتور جي بي فان دير شاار ، جامعة فان أمستردام

قد تستغرق هذه العملية ما بين 10 67 إلى 10 100 عام ، اعتمادًا على كتلة الثقب الأسود. لكن ما يخرج هو ببساطة إشعاع حراري أسود الجسم.

هذا يعني أن بعض المادة المظلمة ستخرج من الثقوب السوداء ، لكن من المتوقع أن يكون ذلك مستقلاً تمامًا عما إذا كانت كمية كبيرة من المادة المظلمة قد دخلت إلى الثقب الأسود في المقام الأول. كل الثقب الأسود لديه ذاكرة ، بمجرد سقوط الأشياء فيه ، هو مجموعة صغيرة من الأرقام الكمومية ، وكمية المادة المظلمة التي دخلت فيها ليست واحدة منها. ما يأتي ، على الأقل من حيث محتوى الجسيمات ، لن يكون هو نفسه ما تضعه!

أفق الحدث للثقب الأسود هو منطقة كروية أو كروية لا شيء منها ، ولا حتى. [+] الضوء يمكن أن يهرب. على الرغم من أن إشعاع الجسم الأسود التقليدي ينبعث من خارج أفق الحدث ، فمن غير الواضح أين ومتى وكيف تتصرف الانتروبيا / المعلومات المشفرة على السطح في سيناريو الاندماج.

ناسا دانا بيري ، SkyWorks Digital ، Inc.

إذا قمت بإجراء العمليات الحسابية ، فستجد أن الثقوب السوداء ستستخدم كلاً من المادة العادية والمادة المظلمة كمصدر للغذاء ، لكن هذه المادة الطبيعية ستهيمن على معدل نمو الثقب الأسود ، حتى على مدى فترات زمنية كونية طويلة. عندما يبلغ عمر الكون أكثر من مليار مرة كما هو عليه اليوم ، ستظل الثقوب السوداء تدين بأكثر من 99٪ من كتلتها للمادة العادية ، وأقل من 1٪ للمادة المظلمة.

المادة المظلمة ليست مصدرًا غذائيًا جيدًا للثقوب السوداء ، كما أنها ليست مصدرًا مثيرًا (للمعلومات). لا يختلف ما يكتسبه الثقب الأسود من تناول المادة المظلمة عما يكتسبه من تسليط ضوء كشاف داخله. محتوى الكتلة / الطاقة فقط ، كما لو كنت تحصل منه E = mc 2 ، القضايا. تتفاعل الثقوب السوداء والمادة المظلمة ، لكن آثارها صغيرة جدًا لدرجة أن تجاهل المادة المظلمة تمامًا لا يزال يمنحك وصفًا رائعًا للثقوب السوداء: الماضي والحاضر والمستقبل.


يقترح علماء الفيزياء طريقة جديدة لاستخراج الطاقة من الثقوب السوداء

تخزن الثقوب السوداء الدوارة طاقة دورانية يمكن استخراجها عندما ينغمس ثقب أسود في مجال مغناطيسي مزود خارجيًا ، ويمكن أن تؤدي إعادة توصيل خطوط المجال المغناطيسي داخل الغلاف الجوي إلى توليد جزيئات طاقة سالبة تسقط في أفق حدث الثقب الأسود بينما تهرب الجسيمات الأخرى المتسارعة سرقة الطاقة من الثقب الأسود. في ورقة نشرت في المجلة المراجعة الجسدية د، أظهر ثنائي من الباحثين من الولايات المتحدة وتشيلي بشكل تحليلي أن استخراج الطاقة عبر إعادة الاتصال المغناطيسي ممكن عندما يكون دوران الثقب الأسود مرتفعًا والبلازما ممغنطة بقوة.

يمكن استخلاص طاقة الدوران من دوران الثقوب السوداء من خلال إعادة الاتصال المغناطيسي. رصيد الصورة: Sci-News.com.

يُعتقد أن الثقوب السوداء تلعب دورًا رئيسيًا في عدد من الظواهر الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة ، من نوى المجرة النشطة إلى انفجارات أشعة جاما إلى ثنائيات الأشعة السينية فائقة السطوع.

قد يكون للكميات غير العادية من الطاقة المنبعثة خلال مثل هذه الأحداث أصلان مختلفان. يمكن أن تكون طاقة الجاذبية الكامنة للمادة التي تسقط باتجاه ثقب أسود موجود أو يتشكل أثناء التراكم أو انهيار الجاذبية. أو يمكن أن تكون أيضًا طاقة الثقب الأسود نفسه.

في الواقع ، فإن التنبؤ الرائع لنظرية النسبية العامة لأينشتاين هو أن الثقب الأسود الدوار لديه كميات هائلة من الطاقة الحرة المتاحة للاستفادة منها.

على مدى الخمسين عامًا الماضية ، حاول الفيزيائيون النظريون ابتكار طرق لإطلاق العنان لهذه القوة.

وضع الفيزيائي من نوبل روجر بنروز نظرية مفادها أن تفكك الجسيمات يمكن أن يستمد الطاقة من الثقب الأسود ، اقترح ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء يمكن أن تطلق الطاقة من خلال الانبعاث الميكانيكي الكمومي بينما اقترح روجر بلاندفورد ورومان زنايك عزم الدوران الكهرومغناطيسي كعامل رئيسي لاستخراج الطاقة.

قال المؤلف الأول الدكتور لوكا كوميسو ، الباحث في قسم علم الفلك ومختبر كولومبيا للفيزياء الفلكية في جامعة كولومبيا: "الثقوب السوداء محاطة عادةً بحساء ساخن من جزيئات البلازما التي تحمل مجالًا مغناطيسيًا".

"تُظهر نظريتنا أنه عندما تنفصل خطوط المجال المغناطيسي وتعيد الاتصال ، بالطريقة الصحيحة تمامًا ، يمكنها تسريع جسيمات البلازما إلى طاقات سلبية ويمكن استخراج كميات كبيرة من طاقة الثقب الأسود."

"يمكن أن يسمح هذا الاكتشاف لعلماء الفلك بتقدير أفضل لدوران الثقوب السوداء ، ودفع انبعاثات طاقة الثقب الأسود ، وقد يوفر حتى مصدرًا للطاقة لتلبية احتياجات الحضارة المتقدمة."

رسم تخطيطي لآلية استخراج الطاقة من ثقب أسود دوار عن طريق إعادة الاتصال المغناطيسي في الثقب الأسود ergosphere. يتم تفضيل التكوين مع خطوط المجال المغناطيسي العكسي المتاخمة للمستوى الاستوائي من خلال تأثير سحب الإطار للثقب الأسود سريع الدوران (اللوحات (أ) و (ب) تصور وجهات نظر خطية واستوائية ، على التوالي) ، وصفيحة التيار الاستوائي الناتجة عرضة لإعادة الاتصال المغناطيسي بوساطة البلازمويد السريع (انظر الهياكل الدائرية في المنطقة المكبرة). إعادة الاتصال المغناطيسي في البلازما التي تدور في المستوى الاستوائي تستخرج طاقة الثقب الأسود إذا كانت البلازما المتباطئة التي يبتلعها الثقب الأسود لديها طاقة سالبة كما تُرى من اللانهاية ، بينما البلازما المتسارعة بمكون في نفس اتجاه دوران الثقب الأسود يهرب إلى ما لا نهاية. يشار إلى الحدود الخارجية (الحد الثابت) للإيرجوسفير بالخطوط القصيرة المتقطعة في كلا اللوحين. في اللوحة (ب) ، تشير الخطوط المتقطعة والصلبة إلى خطوط المجال المغناطيسي أسفل المستوى الاستوائي وفوقه ، على التوالي. أخيرًا ، تشير الخطوط المتقطعة في المنطقة المصغرة إلى فاصلتي إعادة الاتصال المغناطيسي المتقاطعتين عند نقطة إعادة الاتصال المغناطيسية السائدة X-point. Image credit: Comisso & Asenjo, doi: 10.1103/PhysRevD.103.023014.

Dr. Comisso and his colleague, Professor Felipe Asenjo from the Facultad de Ingeniería y Ciencias at Universidad Adolfo Ibanez, built their theory on the premise that reconnecting magnetic fields accelerates plasma particles in two different directions.

One plasma flow is pushed against the black hole’s spin, while the other is propelled in the spin’s direction and can escape the clutches of the black hole, which releases power if the plasma swallowed by the black hole has negative energy.

“A black hole loses energy by eating negative-energy particles. This might sound weird, but it can happen in a region called the ergosphere, where the spacetime continuum rotates so fast that every object spins in the same direction as the black hole,” Dr. Comisso said.

Inside the ergosphere, magnetic reconnection is so extreme that the plasma particles are accelerated to velocities approaching the speed of light.

“The high relative velocity between captured and escaping plasma streams is what allows the proposed process to extract massive amounts of energy from the black hole,” Professor Asenjo said.

“We calculated that the process of plasma energization can reach an efficiency of 150%, much higher than any power plant operating on Earth. Achieving an efficiency greater than 100% is possible because black holes leak energy, which is given away for free to the plasma escaping from the black hole.”

Luca Comisso & Felipe A. Asenjo. 2021. Magnetic reconnection as a mechanism for energy extraction from rotating black holes. فيز. Rev. D 103 (2): 023014 doi: 10.1103/PhysRevD.103.023014


Can dark energy or dark matter affect black holes - Astronomy


Dark Energy, Dark Matter


In the early 1990's, one thing was fairly certain about the expansion of the Universe. It might have enough energy density to stop its expansion and recollapse, it might have so little energy density that it would never stop expanding, but gravity was certain to slow the expansion as time went on. Granted, the slowing had not been observed, but, theoretically, the Universe had to slow. The Universe is full of matter and the attractive force of gravity pulls all matter together. Then came 1998 and the Hubble Space Telescope (HST) observations of very distant supernovae that showed that, a long time ago, the Universe was actually expanding more slowly than it is today. So the expansion of the Universe has not been slowing due to gravity, as everyone thought, it has been accelerating. No one expected this, no one knew how to explain it. But something was causing it.

Eventually theorists came up with three sorts of explanations. Maybe it was a result of a long-discarded version of Einstein's theory of gravity, one that contained what was called a "cosmological constant." Maybe there was some strange kind of energy-fluid that filled space. Maybe there is something wrong with Einstein's theory of gravity and a new theory could include some kind of field that creates this cosmic acceleration. Theorists still don't know what the correct explanation is, but they have given the solution a name. It is called dark energy.


What Is Dark Energy?

More is unknown than is known. We know how much dark energy there is because we know how it affects the Universe's expansion. Other than that, it is a complete mystery. But it is an important mystery. It turns out that roughly 70% of the Universe is dark energy. Dark matter makes up about 25%. The rest - everything on Earth, everything ever observed with all of our instruments, all normal matter - adds up to less than 5% of the Universe. Come to think of it, maybe it shouldn't be called "normal" matter at all, since it is such a small fraction of the Universe.

One explanation for dark energy is that it is a property of space. Albert Einstein was the first person to realize that empty space is not nothing. Space has amazing properties, many of which are just beginning to be understood. The first property that Einstein discovered is that it is possible for more space to come into existence. Then one version of Einstein's gravity theory, the version that contains a cosmological constant, makes a second prediction: "empty space" can possess its own energy. Because this energy is a property of space itself, it would not be diluted as space expands. As more space comes into existence, more of this energy-of-space would appear. As a result, this form of energy would cause the Universe to expand faster and faster. Unfortunately, no one understands why the cosmological constant should even be there, much less why it would have exactly the right value to cause the observed acceleration of the Universe. Another explanation for how space acquires energy comes from the quantum theory of matter. In this theory, "empty space" is actually full of temporary ("virtual") particles that continually form and then disappear. But when physicists tried to calculate how much energy this would give empty space, the answer came out wrong - wrong by a lot. The number came out 10120 times too big. That's a 1 with 120 zeros after it. It's hard to get an answer that bad. So the mystery continues.

Another explanation for dark energy is that it is a new kind of dynamical energy fluid or field, something that fills all of space but something whose effect on the expansion of the Universe is the opposite of that of matter and normal energy. Some theorists have named this "quintessence," after the fifth element of the Greek philosophers. But, if quintessence is the answer, we still don't know what it is like, what it interacts with, or why it exists. So the mystery continues.

A last possibility is that Einstein's theory of gravity is not correct. That would not only affect the expansion of the Universe, but it would also affect the way that normal matter in galaxies and clusters of galaxies behaved. This fact would provide a way to decide if the solution to the dark energy problem is a new gravity theory or not: we could observe how galaxies come together in clusters. But if it does turn out that a new theory of gravity is needed, what kind of theory would it be? How could it correctly describe the motion of the bodies in the Solar System, as Einstein's theory is known to do, and still give us the different prediction for the Universe that we need? There are candidate theories, but none are compelling. So the mystery continues.

The thing that is needed to decide between dark energy possibilities - a property of space, a new dynamic fluid, or a new theory of gravity - is more data, better data. The Joint Dark Energy Mission (JDEM) is a NASA mission in the planning stages, being developed jointly by NASA and the Department of Energy. Its goal will be to provide observations of the Universe that will allow theorists to discriminate between theories and, perhaps, finally lead to the solution of the mystery.

What Is Dark Matter?

By fitting a theoretical model of the composition of the Universe to the combined set of cosmological observations, scientists have come up with the composition that we described above,

5% normal matter. What is dark matter?

We are much more certain what dark matter is not than we are what it is. First, it is dark, meaning that it is not in the form of stars and planets that we see. Observations show that there is far too little visible matter in the Universe to make up the 25% required by the observations. Second, it is not in the form of dark clouds of normal matter, matter made up of particles called baryons. We know this because we would be able to detect baryonic clouds by their absorption of radiation passing through them. Third, dark matter is not antimatter, because we do not see the unique gamma rays that are produced when antimatter annihilates with matter. Finally, we can rule out large galaxy-sized black holes on the basis of how many gravitational lenses we see. High concentrations of matter bend light passing near them from objects further away, but we do not see enough lensing events to suggest that such objects to make up the required 25% dark matter contribution.

However, at this point, there are still a few dark matter possibilities that are viable. Baryonic matter could still make up the dark matter if it were all tied up in brown dwarfs or in small, dense chunks of heavy elements. These possibilities are known as massive compact halo objects, or "MACHOs". But the most common view is that dark matter is not baryonic at all, but that it is made up of other, more exotic particles like axions or WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).


DARK MATTER


When the Universe was young, it was nearly smooth and featureless. As it grew older and developed, it became organized. We know that our solar system is organized into planets (including the Earth!) orbiting around the Sun. On a scale much larger than the solar system (about 100 million times larger!), stars collect themselves into galaxies. Our Sun is an average star in an average galaxy called the Milky Way. The Milky Way contains about 100 billion stars. Yes, that's 100,000,000,000 stars! On still larger scales, individual galaxies are concentrated into groups, or what astronomers call clusters of galaxies.

The cluster includes the galaxies and any material which is in the space between the galaxies. The force, or glue, that holds the cluster together is gravity -- the mutual attraction of everything in the Universe for everything else. The space between galaxies in clusters is filled with a hot gas. In fact, the gas is so hot (tens of millions of degrees!) that it shines in X-rays instead of visible light. In the image above, the hot X-ray gas (shown in pink) lying between the galaxies is superimposed on an an optical picture of the cluster of galaxies. By studying the distribution and temperature of the hot gas we can measure how much it is being squeezed by the force of gravity from all the material in the cluster. This allows scientists to determine how much total material (matter) there is in that part of space.

Remarkably, it turns out there is five times more material in clusters of galaxies than we would expect from the galaxies and hot gas we can see. Most of the stuff in clusters of galaxies is invisible and, since these are the largest structures in the Universe held together by gravity, scientists then conclude that most of the matter in the entire Universe is invisible. This invisible stuff is called 'dark matter'. There is currently much ongoing research by scientists attempting to discover exactly what this dark matter is, how much there is, and what effect it may have on the future of the Universe as a whole.

It's Dark Out There.

"Dark matter" refers matter of an unknown type that astronomers and cosmologists believe must make up the majority of the mass in the universe. It is called "dark" because it does not emit any light. We know of its presence because of the gravitational effects it has on objects that we can see. For example, galaxies in clusters move at speeds that are too high to be attributed just to the visible galaxies. In addition, astronomers measure high temperature gas in these galaxy clusters. This gas is at too high a temperature to remain bound to the cluster without some additional, hidden, mass. For galaxies and groups, the X-ray data have often indicated very extended dark matter halos far beyond the radius at which one sees starlight or galaxies. The total inferred dark matter mass is often 10 times that in the "visible" galaxies alone.

Dark matter also plays a role in the early universe. Astronomers theorize that the presence of dark matter helps to explain the relative amounts of light elements and isotopes produced in the Big Bang. Results from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) show that 23% of the Universe is made up of dark matter.

One of the best ways of determining the mass of a system, such as a cluster of galaxies, group of galaxies or a massive elliptical galaxy, is to measure the X-ray temperature and gas profiles. Astronomers start by assuming the gas is in equilibrium, which is borne out by the thermal spectra of the gas. Matching models of the distribution and temperature of the gas to the X-ray observations gives the mass of the gas. Use of this technique has shown that clusters of galaxies are gas and baryon rich, that is, the mass in gas exceeds the mass in stars by factors of 3-5 and that the total baryonic mass is

15% of the total mass of the cluster (i.e. visible mass plus dark matter). Since clusters are supposed to be "fair samples of the universe" they should have a baryon fraction that corresponds to 4%, as inferred from Big Bang nucleosynthesis and results from WMAP. However, WMAP and other evidence now point to a new component in the universe, which is called dark energy. Dark energy makes up 73% of the energy and matter of the universe. By including this dark energy with the visible mass and dark matter, we find that clusters really do share in the same baryonic fraction as the rest of the universe.


We believe that most of the matter in the universe is dark, i.e. cannot be detected from the light which it emits (or fails to emit). This is "stuff" which cannot be seen directly -- so what makes us think that it exists at all? Its presence is inferred indirectly from the motions of astronomical objects, specifically stellar, galactic, and galaxy cluster/supercluster observations. It is also required in order to enable gravity to amplify the small fluctuations in the Cosmic Microwave Background enough to form the large-scale structures that we see in the universe today.

Dark matter Not dark matter

For each of the stellar, galactic, and galaxy cluster/supercluster observations the basic principle is that if we measure velocities in some region, then there has to be enough mass there for gravity to stop all the objects flying apart. When such velocity measurements are done on large scales, it turns out that the amount of inferred mass is much more than can be explained by the luminous stuff. Hence we infer that there is dark matter in the Universe.

Dark matter has important consequences for the evolution of the Universe and the structure within it. According to general relativity, the Universe must conform to one of three possible types: open, flat, or closed. The total amount of mass and energy in the universe determines which of the three possibilities applies to the Universe. In the case of an open Universe, the total mass and energy density (denoted by the greek letter Omega) is less than unity. If the Universe is closed, Omega is greater than unity. For the case where Omega is exactly equal to one the Universe is "flat".

Note that the dynamics of the Universe are not determined entirely by the geometry (open, closed or flat) unless the Universe contains only matter. In our Universe, where most of Omega comes from dark energy, this relation between the mass density, spatial curvature and the future of the universe no longer holds. It is then no longer true in this case that "geometry (spatial curvature) is destiny." Instead, to find out what will happen one needs to calculate the evolution of the expansion factor of the universe for the specific case of matter density, spatial curvature and "funny energy" to find out what will happen.

Dark matter (DM) candidates are usually split into two broad categories, with the second category being further sub-divided:

o hot dark matter (HDM) and

depending on their respective masses and speeds. CDM candidates travel at slow speeds (hence "cold") or have little pressure, while HDM candidates move rapidly (hence "hot").

Aside on flatness

Current indications from the cosmic microwave background are that the universe is spatially flat. That implies that the sum of all of the energy (density) in the universe equals the critical density, i.e. the total Omega is 1. This is quite interesting because as the Universe expands the value of Omega changes. In fact the value 1 is unstable, and the Universe would prefer to evolve towards one of the two natural values: 0, if the expands forever further apart until the Universe is almost totally empty and infinity, if the matter recollapses to a state of higher and higher density. Then the observation that Omega is fairly close to 1 today, means that it must have been even closer to 1 in the past. It is unsatisfying to believe that we just happen to live at the time when Omega is just starting to depart from 1 by a small factor. It is much more appealing to consider that we do not live at a special epoch, so that Omega is still close to 1 today. But then we need to explain why Omega started out very close to 1 in the early universe. The theory of inflation provides just such a justification - most versions of inflation predict that the early Universe was driven extremely close to flat, and that it is still very close to flat today. If this is so, then at least 90% the energy of the Universe is dark! Note that although the universe may be flat, that does not mean that matter makes up the critical density. In addition to dark matter there is dark energy, e.g. a cosmological constant, that needs to be included in the accounting.


The discovery in 1998 that the Universe is actually speeding up its expansion was a total shock to astronomers. It just seems so counter-intuitive, so against common sense. But the evidence has become convincing.

The evidence came from studying distant type Ia supernovae. This type of supernova results from a white dwarf star in binary system. Matter transfers from the normal star to the white dwarf until the white dwarf attains a critical mass (the Chandrasekhar limit) and undergoes a thermonuclear explosion. Because all white dwarfs achieve the same mass before exploding, they all achieve the same luminosity and can be used by astronomers as "standard candles." Thus by observing their apparent brightness, astronomers can determine their distance using the 1/r2 law.

By knowing the distance to the supernova, we know how long ago it occurred. In addition, the light from the supernova has been red-shifted by the expansion of the universe. By measuring this redshift from the spectrum of the supernova, astronomers can determine how much the universe has expanded since the explosion. By studying many supernovae at different distances, astronomers can piece together a history of the expansion of the universe.

In the 1990's two teams of astronomers, the Supernova Cosmology Project and the High-Z Supernova Search, were looking for distant type Ia supernovae in order to measure the expansion rate of the universe with time. They expected that the expansion would be slowing, which would be indicated by the supernovae being brighter than their redshifts would indicate. Instead, they found the supernovae to be fainter than expected. Hence, the expansion of the universe was accelerating!

In addition, measurements of the cosmic microwave background indicate that the universe has a flat geometry on large scales. Because there is not enough matter in the universe - either ordinary or dark matter - to produce this flatness, the difference must be attributed to a "dark energy". This same dark energy causes the acceleration of the expansion of the universe. In addition, the effect of dark energy seems to vary, with the expansion of the Universe slowing down and speeding up over different times.

Astronomers know dark matter is there by its gravitational effect on the matter that we see and there are ideas about the kinds of particles it must be made of. By contrast, dark energy remains a complete mystery. The name "dark energy" refers to the fact that some kind of "stuff" must fill the vast reaches of mostly empty space in the Universe in order to be able to make space accelerate in its expansion. In this sense, it is a "field" just like an electric field or a magnetic field, both of which are produced by electromagnetic energy. But this analogy can only be taken so far because we can readily observe electromagnetic energy via the particle that carries it, the photon.

Some astronomers identify dark energy with Einstein's Cosmological Constant. Einstein introduced this constant into his general relativity when he saw that his theory was predicting an expanding universe, which was contrary to the evidence for a static universe that he and other physicists had in the early 20th century. This constant balanced the expansion and made the universe static. With Edwin Hubble's discovery of the expansion of the Universe, Einstein dismissed his constant. It later became identified with what quantum theory calls the energy of the vacuum.

In the context of dark energy, the cosmological constant is a reservoir which stores energy. Its energy scales as the universe expands. Applied to the supernova data, it would distinguish effects due to the matter in the universe from those due to the dark energy. Unfortunately, the amount of this stored energy required is far more than observed, and would result in very rapid acceleration (so much so that the stars and galaxies would not form). Physicists have suggested a new type of matter, "quintessence," which would fill the universe like a fluid which has a negative gravitational mass. However, new constraints imposed on cosmological parameters by Hubble Space Telescope data rule out at least simple models of quintessence.

Other possibilities being explored are topological defects, time varying forms of dark energy, or a dark energy that does not scale uniformly with the expansion of the universe


Dark Energy

While matter attracts (gravity), energy, on the other hand, produces a repulsive force (antigravity) that pushes matter outward. It’s not an object but rather a property of space, and it helps explain why our universe is expanding. According to HETDEX, dark energy shows itself only on the largest cosmic scale.

اكتشاف

In 1929, legendary astronomer Edwin Hubble observed the “redshift” phenomenon that proved that our universe has been expanding since the Big Bang. For decades, astronomers believed that gravity would cause the expansion to slow down. Then in 1998, astronomers were shocked to learn the opposite.

According to Mental Floss, astronomers were using the Hubble Space Telescope to study distant supernovae, when they observed that around 7.5 billion years after the Big Bang, the universe began expanding at an even faster rate. According to NASA, no one expected to discover that the expansion was accelerating, and scientists still can’t explain it, but they can tell that it exists because it affects the expansion of the universe.

What Is It Made of?

According to NASA, there are several theories for what dark energy is. It may be an inherent property of space. Contrary to popular belief, empty space is not nothing. It has properties it can expand and possess its own energy, as Albert Einstein suggested with his gravity theory and cosmological constant.

The quantum theory of matter provides a second explanation. This theory suggests that “’empty space’ is actually full of temporary (‘virtual’) particles that continually form and disappear.” However, this theory is highly unlikely, because when physicists attempted to use this theory for calculations, the answer came out wrong, according to NASA.

A third option is that dark energy is a new kind of dynamical energy fluid or field, which some scientists have called “quintessence.” If that’s the case, we still don’t know anything about it, says NASA.

Lastly, perhaps Einstein’s theory of gravity is not correct, and that’s why dark energy doesn’t fit into our equation of the universe. All of our current knowledge and understanding of the universe depend on Einstein’s theory being true, so if dark energy exposes an error, then we’re back at square one. It would upend our entire understanding of the universe.


Dark Energy

In 1929, Edwin Hubble examined how the wavelength of light emitted by distant galaxies shifts towards the red end of the electromagnetic spectrum as it travels through space.

He found that fainter, more distant galaxies show a large degree of redshift, closer galaxies not so much.

Hubble determined that this was because the universe itself is expanding.

The redshift occurs because the wavelength of light is stretched as the universe expands.

More recent discoveries have shown that the expansion of the universe is accelerating. Before that, it was thought that the pull of gravity will cause the expansion to either slow down or even retreat and collapse in on itself after some point.

Space does not change its properties as it expands, there is just more of it. New space is constantly created everywhere, galaxies are tight bound clusters of stuff held together by gravity so we don’t experience this expansion in our daily lives, but we see it everywhere around us.

Wherever there is empty space in the universe, more is forming every second.

So, Dark Energy seems to be some kind of energy intrinsic to empty space. The energy is stronger than anything else we know and keeps getting stronger as time passes by.

Empty space has more energy than anything else in the universe- combined!


Could Dark Matter Be Black Holes?

By: Camille M. Carlisle April 3, 2019 9

احصل على مقالات مثل هذه المرسلة إلى صندوق الوارد الخاص بك

Astronomers are reconsidering primordial black holes as an answer to the invisible matter mystery, but recent observations disfavor at least some sizes of black hole.

Dark matter is a thorn in astronomers’ collective side. This stuff, detectable only by its gravitational effect, appears to make up more than 80% of the universe’s matter. But what is it?

Artist's impression of a black hole passing in front of a star in the Andromeda Galaxy.
Kavli IPMU

One contender making a comeback is primordial black holes. These objects might have been born in the earliest age of the universe, back when the cosmos was nothing but a hot plasmatic soup — mostly radiation, in fact. This radiation-rich plasma wasn’t uniform its density fluctuated from patch to patch. If a patch were excessively dense compared to its surroundings, then it would naturally collapse and create a black hole, a primordial relic from long before the first star shone. If enough of these black holes were forged, the thinking goes, they could provide the invisible mass that forms the substrate of galaxies, galaxy clusters, and the cosmic web.

“I personally find it really cool that dark matter could be (even in part) made out of light that collapsed into black holes,” says Yacine Ali-Haïmoud (New York University). “I find it to be sufficient motivation to study how large of an abundance is allowed by observations.”

Astronomers began looking in earnest for primordial black holes, or PBHs, after a 1986 paper by Bohdan Paczyński suggested a way to find them. Searches didn’t pan out, and interest waned.

But PBHs reentered the scientific mainstream a few years ago, after LIGO turned up its first black holes. At tens of solar masses, the merging black holes surprised astronomers as unexpectedly beefy for supernovae-made objects. Scientists began reconsidering whether LIGO’s sources might be PBHs instead of the cores of dead stars. Whether that possibility is still viable today depends on whom you ask, but PBHs continue to enjoy their second wind.

Astronomers look for PBHs using microlensing, the boost in starlight created when a black hole passes in front of a more distant star and its gravity bends some of the star’s light toward us. This lensing effect creates multiple images of the star too tiny to resolve individually, but combined they create a bright blip. Previous microlensing surveys have found a handful of candidate PBHs, but not a single definitive discovery, says Nathan Golovich (Lawrence Livermore National Laboratory). Such searches are whittling down the fraction of dark matter that could be these marauding black holes, but the remaining fraction depends on the swath of possible PBH masses you consider.

Several types of observations have constrained how large a fraction of dark matter could comprise primordial black holes, depending on the primordial black hole mass considered. Shaded regions show excluded regions where existence of such primordial black holes are not consistent with various observation data. The red region is the current study's result.
H. Niikura et al.

As part of this ongoing effort, Hiroko Niikura (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, University of Tokyo) and colleagues turned the 8.2-meter Subaru Telescope’s Hyper Suprime-Cam on our cosmic neighbor, the Andromeda Galaxy (M31). They stared at the galaxy for 7 hours, measuring the light from an estimated 100 million stars. The stars crowd together in the resulting images, each pixel containing the light from several suns. هذا blending is a common problem for microlensing hunters, and it means that, to find a microlensing event, the astronomers couldn’t look at an individual star’s behavior. Instead, they searched for pixels that flashed (presumably because one of the stars it contained had briefly brightened) and marked the event as a candidate.

This approach turned up 15,571 candidates. Through a series of elimination rounds, the astronomers reduced the candidates to those that only flashed once (and so probably weren’t variable stars), brightened and faded in the right way, and weren’t red herrings created by their image processing. If dark matter in the Milky Way and Andromeda galaxies is primarily made of PBHs with masses in the range of Earth’s mass down to that of Saturn’s moon Mimas, the team hypothesized, then the search should have turned up roughly a thousand events.

Unfortunately, the astronomers can’t determine with current data whether this single candidate is the flash from a primordial black hole passing in front of a star, they write April 1st in علم الفلك الطبيعي. The case of the long-sought PBHs remains open.

“This is an impressive measurement,” Golovich says. The team has essentially crossed out a large chunk of the contribution PBHs in this mass range might make to dark matter: The remaining fraction is less than a hundredth.

Microlensing searches are not perfect, however. Among the complexities they’re subject to, the black holes’ distances determine how fast the black hole would move across the field of view and, thus, the kind of events observations can catch. Niikura’s team estimates that they could “recover” only 20% to 30% of events for the majority of stars in their images. (The number is much higher — 60% to 70% — for the subset of brighter stars.) This fraction is on par with that of other studies, which range from 10% to 50%, says coauthor Masahiro Takada (Kavli IPMU, University of Tokyo).

The team continues to explore their M31 data. Once they’ve built up enough candidates, they may rope in citizen scientists to help them investigate, Takada says.


Dark matter to dark energy

The link below is a good example of how I think dark matter and dark energy are related.

Dark matter can be created in a star due to the high temperature and extreme gravity.
When dark matter leaves the gravity well it does a phase transition to become dark energy while at the same time releasing huge amounts of heat.
As the universe expands more space becomes available out of a gravity well for dark energy to phase transition into existence. This would explain the higher than expected temperatures on the outside of dark matter halos.

Ed Stauffer

The universe is getting hot, hot, hot, a new study suggests

PBWilson

The infallibility of human endeavor is not a scientific principle, and it needs to go the way of the geocentric model of the solar system. The “standard model” of the universe has been grossly oversimplified: there are no stars nor galaxies no action nor reaction. The model is a mathematical fiction, bearing no resemblance to the real world, except they both expand.

You can ignore me, censor me, call me names, etc, but ignoring the problem is not going to make it go away. Until a more realistic model is employed, the brouhaha over dark energy is just plain silly.


الإجابات والردود

If dark energy causes spacetime or things in the galaxy to expand (acceleratingly), then won't black holes die due to expansion past the Schwarzschild radius, rather than simple radiation evaporation?

(When black hole die, I mean, we have the ability to look into the space because it is no longer a black hole). I know this is pretty elementary thought, but this is the internet, and the quickest way to find truth is to post something wrong on the internet!

There is a common misconception that universe expansion applies to the space within gravitationally bound systems such as solar systems and galaxies. The expansion of the universe does not affect the internal dynamics of these systems.

The universe expansion is modelled by the Friedmann equation, which assumes a uniform distribution of matter (with very low overall density) dominated by very large regions of vacuum - this is on the very large cosmic scale of the universe). You put this observed data into the equation and you get the large-scale behaviour of the universe: accelerated expansion.

But, the Friedmann equation and the overall cosmic data do not apply to a black hole, galaxy, solar system, planet or atom. So, none of these things is affected in the way that might be supposed from the concept of accelerated expansion.

If, far in the future, the overall universal expansion has increased many times, this will still have no effect on the dynamics of the solar system: which will continue as an isolated system, evolving due to its own internal distribution of mass in a small region of space.


شاهد الفيديو: Materija i supstanca - Hemija za 7. razred #2. SuperŠkola (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Irenbend

    الرسالة الممتازة هي))) شجاع

  2. Shayne

    أعني أنك لست على حق. أدخل سنناقشها. اكتب لي في PM ، وسوف نتعامل معها.

  3. Jerrico

    أعني أنك لست على حق. أقدم لمناقشته. اكتب لي في PM.

  4. Dosho

    أعتقد أنك ترتكب خطأ. أقترح مناقشته. أرسل لي بريدًا إلكترونيًا إلى PM ، سنتحدث.

  5. Garve

    ربما لن أقول أي شيء



اكتب رسالة