Under de senaste månaderna har Universe Today utforskat en uppsjö av vetenskapliga områden, inklusive nedslagskratrar, planetytor, exoplaneter, astrobiologi, solfysik, kometer, planetariska atmosfärer, planetarisk geofysik, kosmokemi, meteoriter, radioastronomi, extremofiler och organisk kemi , och hur dessa olika discipliner hjälper forskare och allmänheten att bättre förstå vår plats i kosmos.
Här kommer vi att diskutera det fascinerande och mystiska området svarta hål med Dr Gaurav Khanna, som är professor vid institutionen för fysik vid University of Rhode Island, angående vikten av att studera svarta hål, fördelarna och utmaningarna, spännande aspekter av att studera svarta hål, och hur kommande studenter kommer att fortsätta studera svarta hål.
Så, vad är betydelsen av att studera svarta hål?
"Gravity är den äldsta kända, men den minst förstådda kraften i naturen", säger Dr Khanna till Universe Today. "För gravitationsstudenter är svarta hål bland de mest intressanta föremålen att studera eftersom gravitationen är den dominerande kraften där – i själva verket är den oändligt stark! Sedan finns det astrofysiska skäl till intresse för svarta hål. De spelar viktiga roller i galaxer, kanske till och med i universums storskaliga beteende och mer.
"Det andra att notera om svarta hål är att de är väldigt 'enkla', särskilt i jämförelse med stjärnor och andra astrofysiska objekt. Detta är en följd av den så kallade 'no hair'-satsen som säger att svarta hål kan karakteriseras fullt ut. med endast tre attribut – deras massa, laddning och spinn. Den enkelheten gör dem särskilt tilltalande för studier och forskning.”
Svarta hål är kända för att uppvisa gravitationen så stark att ljus inte ens kan fly, och medan Albert Einsteins allmänna relativitetsteori 1915 ofta tillskrivs begreppet svarta hål, begreppet ett objekt vars storlek och gravitation inte skulle Tillåt ljus att fly föreslogs först i ett brev från november 1784 av den engelske filosofen och prästen John Mitchell.
I detta brev hänvisade Mitchell till dessa objekt som "mörka stjärnor" eftersom han postulerade att stjärnor vars diametrar översteg 500 gånger vår sols diameter skulle utlösa bildandet av dessa objekt. Dessutom föreslog han att gravitationsvågor som påverkar närliggande himlakroppar skulle göra det möjligt att upptäcka dessa objekt.
Snabbspolning framåt till Einsteins allmänna relativitetsteori, som också förutspådde både förekomsten av svarta hål och gravitationsvågor, som båda fortsatte att granskas under hela 1900-talet, som inkluderar vad som kallas "den allmänna relativitetsteoriens guldålder" under 1960-talet och 1970-talet. Detta inkluderar det första föremålet som accepterats av forskarvärlden som ett svart hål, kallat Cygnus X-1, som upptäcktes 1964. Det tog dock ytterligare 52 år för förekomsten av gravitationsvågor att bekräftas genom en sammanslagning av svarta hål, vilket åstadkoms av LIGO Scientific Collaboration.
Med tanke på den omfattande historien i kombination med nyckelupptäckter som bara har inträffat under de senaste åren, vilka är några av fördelarna och utmaningarna med att studera svarta hål?
Dr. Khanna säger till Universe Today, "Som jag nämnde ovan, att studera svarta hål, som är en konsekvens av Einsteins relativitetsteori, ger insikt om gravitationens, rummets och tidens natur på de mest grundläggande nivåerna. Som fysiker har vi ännu inte utveckla en fullständig förståelse för gravitationens kvantnatur, och svarta hål är nyckeln till att låsa upp det mysteriet.
"Angående utmaningarna skulle jag säga att den tydligaste kanske är att svarta hål bara kan observeras indirekt. Till skillnad från stjärnor, eftersom de inte själva avger strålning, är det svårt för astronomer att samla in data om dem. I bästa fall, vi kan observera deras inverkan på deras miljö (som gas, stjärnor, etc.) och härleda deras egenskaper och beteende.
"På den teoretiska sidan, även om det verkligen är sant att svarta hål är väldigt "enkla" jämfört med stjärnor, finns det fortfarande utmaningar. Matematiken och fysiken som beskriver dem är ganska avancerad och till och med datorsimuleringar som involverar dem är utmanande och kräver massiv bearbetning kraft och minne."
Även om det tog över 100 år mellan Einstein introducerade sin allmänna relativitetsteori 1915 och bekräftelsen av gravitationsvågor 2016, tog det bara ytterligare tre år för astronomer att publicera den första direkta bilden av ett svart hål i centrum av Messier 87 galax.
Resultaten publicerades i The Astrophysical Journal Letters och baserat på observationer tagna 2017 av det kraftfulla Event Horizon Telescope (EHT). Medan Messier 87 ligger cirka 53 miljoner ljusår från jorden, ligger det närmaste hypotesen svarta hålet, Gaia BH1, cirka 1 560 ljusår från jorden. År 2022 publicerade astronomer en direkt bild av Skytten A*, som är det supermassiva svarta hålet i mitten av vår Vintergatans galax.
Dr Khanna säger till Universe Today, "Jag antar att jag förmodligen skulle hänvisa till mitt senaste arbete om hur mycket snabbt roterande svarta hål försöker "växa hår" men till slut misslyckas. Projektet är intressant eftersom det verkar antyda ett brott mot inget hårteorem som jag nämnde tidigare, men det gör det inte så, det är provocerande, men sedan lindrande!
"Och ännu viktigare är att vi nu använder huvudkontexten för den forskningen för att utveckla en ny observations-"signatur" eller test för snabbt roterande svarta hål, alias nästan extrema svarta hål. Sådana svarta hål har flera speciella egenskaper och aspekter och är ett område av aktiv forskning."
Svarta hål studeras av astronomer, fysiker och astrofysiker, som använder en kombination av teori och observationer för att konstruera hur svarta hål kan se ut, och i sällsynta fall, som diskuterats, få direkta bilder av dem. När det gäller teori använder forskare matematiska beräkningar och datormodeller för att simulera hur svarta hål kan se ut, och har sedan använt kraftfulla markbaserade teleskop som EHT för att få de få direkta bilderna av svarta hål.
Det är viktigt att notera att dessa direkta bilder inte fångar själva det svarta hålet, utan de gaser som omger det svarta hålets händelsehorisont, eller den inofficiella gränsen där ljus inte kan fly från det svarta hålet.
Men vilka råd kan Dr. Khanna ge kommande studenter som vill fortsätta att studera svarta hål?
Dr. Khanna säger till Universe Today, "Jag skulle ge dem mycket uppmuntran! Det finns mycket att göra i detta utrymme och många mysterier att lösa. Nya observationer kommer att öppna många nya dörrar och helt nya vägar för forskning. Detta är bland de bästa tiderna att vara astrofysiker med svarta hål!"
Dr. Khanna fortsätter, "Det enda jag skulle kunna säga som kanske inte är lika mycket betonat på andra håll handlar om datoranvändning som ett verktyg för att studera svarta hål. Mestadels ligger det stor tonvikt på att lära sig avancerad matematik som bakgrund för seriös forskning i svarta hål. hål – och av goda skäl – som fortsätter att vara avgörande för varje elev av Einsteins relativitetsteori som är grunden för svarta håls fysik.
"Under de senaste åren har datorsimuleringarna avancerat snabbt, och man kan nu göra stora upptäckter om djupa frågor med hjälp av beräkningsverktyg. På lång sikt skulle datorprogrammering vara ett mycket lovande verktyg för att främja forskningen inom detta område och många andra också. "
