Relatório de nascimento de buraco negro[신아형의 코스모스]

AmpliaçãoIlustração de buraco negro. Wikipédia

O nascimento de toda a vida é incrível. Quando os humanos nascem, eles choram alto e encontram o mundo exterior pela primeira vez. Recentemente, houve um ser mais barulhento do que qualquer outra coisa e anunciou seu nascimento. É um corpo celeste desconhecido, um buraco negro.

A explosão de raios gama mais brilhante da história

O brilho de uma explosão de raios gama “GRB221009A” detectada pelo Telescópio Espacial de Raios-X Swift da NASA no dia 9. parafuso

Na manhã do nono dia (horário local), a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) notou um brilhante feixe de luz do espaço. A identidade da luz era um flash de “explosão de raios gama (GRB)” que ocorreu a cerca de 2,4 bilhões de anos-luz da Terra (1 ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano cerca de 9,46 trilhões de km).

De fato, explosões de raios gama são comuns no espaço. Em 2015, a NASA detectou mais de 900 explosões de raios gama. As explosões de raios gama liberam mais energia em apenas um segundo do que o nosso Sol em cerca de 10 bilhões de anos. Além disso, a luz das explosões de raios gama não é espalhada e fraca em todas as direções, mas sim focada em um foco como a luz do laser, para que possa chegar mais longe e ter um enorme poder destrutivo.

GRB221009A Luz capturada no Observatório Gemini no Chile no dia 14. Laboratório Nacional de Astronomia Óptica e Infravermelha dos EUA (NOIRLab)

O flash de explosão de raios gama, apelidado de “GRB221009A”, é muito mais brilhante do que o observado anteriormente, dando o apelido de “BOAT (mais brilhante de todos os tempos)”, que significa “o mais brilhante da história” entre os cientistas. A energia da luz é de 18 teraelectronvolts (teraelectronvolts, 10 a 12 electronvolts), e diz-se que tem um efeito no sinal de radiocomunicação de ondas longas da ionosfera da Terra. Brandon O’Connor, professor de astrofísica da Universidade de Maryland e George Washington, ficou impressionado: “A explosão de raios gama muito brilhante observada perto de nós é[الأرض]É algo que só pode acontecer uma vez a cada cem anos, talvez mil anos.”

A luz é emitida a partir de uma explosão de raios gama “GRB221009A”. parafuso





O fim da estrela foi derrotado pela gravidade

Então, por que ocorrem explosões de raios gama? Está associado ao nascimento de um buraco negro versus a morte de uma estrela.

O processo de evolução em massa de uma estrela. Captura do YouTube




As estrelas têm vidas um pouco diferentes dependendo de sua massa. Com base na massa do Sol, classificaremos estrelas com 8 vezes a massa do Sol e estrelas com mais de 8 vezes a massa do Sol. Neste episódio, veremos uma estrela que tem uma massa superior a 8 vezes a do Sol e se transforma em um buraco negro no final de sua vida.


Ilustração do equilíbrio das forças de gravidade e fusão. A força da gravidade tentando encolher a estrela (seta preta) versus a força gerada pela fusão nuclear contra ela (seta amarela). Bandeira na porta de sua casa





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O destino da estrela depende do “equilíbrio de forças”. Enquanto o equilíbrio for mantido entre a “gravidade” que tenta encolher a estrela e a força que resiste a ela, a estrela pode sobreviver sem morrer. A força contra a gravidade vem da fusão nuclear do hidrogênio, a substância da qual as estrelas são feitas.

fusão nuclear. Agência internacional de energia atômica




No mês passado, estudamos a “fissão nuclear”, na qual átomos de nêutrons e urânio-235 colidem e se dividem em partículas menores (veja 25 de setembro “A Grande História das Pequenas Coisas – Combustível Nuclear de Urânio”). Desta vez o contrário. No centro da estrela, os átomos de hidrogênio se combinam para formar um átomo mais pesado, os átomos de hélio e hélio colidem para formar uma série de reações de fusão que os transformam em carbono, oxigênio, silício e até ferro mais pesados. A massa perdida neste processo é convertida em energia de acordo com nossa fórmula clássica, “equação massa-energia de Albert Einstein (E = mc^2)”.


Mas todo mundo, quanto mais peso, mais força gravitacional eles têm que suportar, certo? Por causa disso, uma estrela mais pesada ficará sem combustível muito mais rápido do que uma estrela mais leve. Em outras palavras, ele deve se fundir mais rápido do que uma estrela mais leve para produzir energia.

Não importa quão difícil seja a fusão nuclear, o combustível que uma estrela pode usar é limitado. No final, a gravidade não tem escolha a não ser vencer. À medida que o combustível de fusão se esgota, o núcleo da estrela continua a encolher devido à gravidade e queima ainda mais fortemente, fazendo com que a atmosfera e a superfície ao redor do núcleo inchem. O núcleo da estrela que costumava ser preenchido com hidrogênio agora é substituído por um átomo mais pesado, como o ferro. Agora esta estrela significa que é hora de morrer.

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Fusão de supernova e estrela de nêutrons

AmpliaçãoDesenhando uma supernova. Universidade de Oxford Inglaterra




Pop! Simultaneamente com a morte da estrela, ocorre a explosão mais poderosa e feroz. É uma “supernova”. O material na superfície da estrela em expansão voa com a explosão, deixando apenas o núcleo. Elementos mais pesados ​​que o ferro, como níquel, zinco, prata e ouro, às vezes se formam sob condições especiais, como explosões de supernovas. Ao rastrear os efeitos das supernovas, os cientistas estão estudando as origens de elementos pesados ​​como o ouro no universo.


Neste momento, a polpa restante ficará voltada para dois potes. Primeiro, se a massa do núcleo estiver entre 1,4 e 3 vezes a massa do Sol, os prótons e elétrons no átomo se aglomeram pela força da gravidade para formar uma estrela de nêutrons feita apenas de nêutrons. Em segundo lugar, se a massa do núcleo fosse três vezes maior que a massa do Sol, ele entraria em colapso completamente devido à gravidade, criando um “buraco negro” de tamanho “0”, mas de densidade infinita.

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Um buraco negro do qual nada pode sair, uma vez dentro, é uma existência verdadeiramente aterrorizante. Mas você sabia que as estrelas de nêutrons são incrivelmente densas? Uma colher de chá de uma estrela de nêutrons pesa cerca de 4 bilhões de toneladas. É tão denso quanto o Monte Everest em uma xícara de café. No entanto, a estrela de nêutrons tem um diâmetro de cerca de 20 km, ou seja, o tamanho de uma cidade.

Duas estrelas de nêutrons próximas. parafuso




Estrelas de nêutrons também podem se transformar em buracos negros. Duas estrelas de nêutrons próximas giram lentamente em círculo e, quando se aproximam o suficiente para se tocar, giram a uma velocidade insana. Os dois eventualmente colidem e se fundem em um, eventualmente colapsando em um buraco negro. Quando duas estrelas de nêutrons orbitam juntas, elas emitem ondas gravitacionais. Em agosto de 2017, a NASA detectou diretamente ondas gravitacionais geradas quando duas estrelas de nêutrons se fundem.


Colisão binária de estrelas de nêutrons, fusão. parafuso





Agora, vamos voltar à explosão de raios gama que apresentamos anteriormente. Estou de volta de muito longe. Explosões de raios gama ocorrem quando ocorrem supernovas ou quando estrelas de nêutrons binárias se fundem. Simultaneamente com o nascimento do buraco negro, o gás da matéria magnetizada gira em torno do buraco negro, e a pressão do forte campo magnético formado neste momento ejeta matéria e energia na forma de um jato a uma velocidade muito alta próximo ao velocidade da luz. Este fenômeno é uma explosão de raios gama. As explosões de raios gama de estrelas de nêutrons em fusão são muito curtas, menos de um segundo, enquanto as explosões de raios gama de supernovas são relativamente mais longas, cerca de um minuto.

Explosão de raios gama. parafuso




O astrofísico britânico Stephen Hawking (1942-2018), famoso por seu estudo de buracos negros, tomou emprestado o ditado de Einstein “Deus não joga dados” e disse: “Deus não apenas joga dados, mas joga dados onde não podemos ver”. Queixaram-se de dificuldades em compreender o fenômeno da expulsão em massa.


físico britânico Stephen Hawking. Wikipédia




A explosão de raios gama GRB221009A, observada no dia 9, durou centenas de segundos e diz-se que foi causada pela morte de uma estrela com mais de 30 vezes a massa do Sol. Os cientistas usarão os dados observacionais nos próximos meses para entender melhor o pano de fundo das explosões de raios gama. A comunidade científica está animada porque nunca vimos um fluxo de raios gama tão brilhante e vibrante antes. É a testemunha mais visível do nascimento de um buraco negro ainda cheio de mistério. Espera-se que esta observação forneça outra pista para desvendar o mistério dos buracos negros.


Repórter Shin Ah Hyung abro@donga.com

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