Ζώνες VAN ALLEN και ΜΑΥΡΕΣ ΤΡΥΠΕΣ

[joskem]

Μήπως θα μπορούσε κάποιος να εξηγήσει με απλά λόγια τι ακριβώς είναι

1) οι ζώνες VAN ALLEN και πώς σχηματίζονται και

2) οι μαύρες τρύπες και που βρίσκονται

Ευχαριστώ.

[Heal]

Το μαγνητικό πεδίο της Γης μπορούμε να το φανταστούμε σαν το πεδίο που δημιουργεί ένας ραβδόμορφος μαγνήτης ο οποίος περιστρέφεται (H κλασική εικόνα του φάσματος που παίρνουμε αν ρίξουμε ρινίσματα σιδήρου σε ένα χαρτί και από κάτω βάλουμε ένα μαγνήτη, για την ακρίβεια λόγω της περιστροφής θα είναι πιο κοντά στο ελλειψοειδές και λόγω του Ηλιακού Ανέμου θα είναι συμπιεσμένο στη μία διεύθυνση και εκτεταμένο στην άλλη). Ταυτόχρονα όμως ο Ήλιος μέσω του Ηλιακού Ανέμου (ο οποίος επιδρά και στη μορφή του πεδίου) στέλνει στη Γη σωματίδια. Αυτά συλλαμβάνονται και ακολουθούν ελικοειδείς τροχίες, παράλληλες στις μαγνητικές γραμμές) σε περιοχές οι οποίες ονομάζονται ζώνες Van Allen. Η πρώτη ζώνη ανακλύφθηκε τον 1958 από τον δορυφόρο Explorer και μετά άλλες δύο από τον Van Allen. Σε ποια ζώνη θα βρεθεί το κάθε σωματίδιο εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του. Τα ηλεκτρόνια για παράδειγμα βρίσκονται στις ζώνες που απέχουν 2000χιλιόμετρα από την επιφάνεια της Γης, ενώ τα πρωτόνια 16000χιλιόμετρα στην επιφάνεια της Γης.

[Heal]

Όσο αφορά για τις μαύρες τρύπες: Σύμφωνα με την κλασική φυσική τοι φως κινείται με μια πεπερασμένη ταχύτητα (3χ10^8m/sec), ενώ η ταχύτητα διαφυγής από την επιφάνεια ενός σφαιρικά σώματος μάζας Μ και ακτίνας r δίνεται από τη σχέση: u=sqrt(2GM/r) (sqrt=τετραγωνική ρίζα).

Αν θέσουμε ως ταχύτητα διαφυγής την ταχύτητα του φωτός και για δεδομένη θα λάβουμε μια τιμή για την ακτίνα r. Επομένως ένα σώμα με δεδομένη μάζα και ακτίνα μικρότερη από αυτήν που μόλις υπολογίσαμε δεν θα επιτρέπει την εκπομπή ούτε και την ανάκλαση του φωτός και θα φαίνεται τελείως μαύρο. Τα προβλήματα ξεκινούν όμως από το γεγονός ότι σύμφωνα με την κλασική φυσική το φως είναι αβαρές και ο νόμος της παγκόσμιας έλξης που χρησιμοποιήσαμε για να εξάγουμε τον τύπο της ταχύτητας διαφυγής αναφέρεται σε σώματα που έχουν κάποια μη μηδενική μάζα. Αν πάμε σύμφωνα με την ισοδύναμια μάζας και ενέργειας την πασίγνωστη σχέση του Einstein Ε=mc² (από την ειδική θεωρία της σχετικότητας) και θεωρήσουμε ως m=E/c² και την αντικαστήσουμε στους σχετικούς τύπους πάλι θα αντιμετωπίσουμε προβλήματα σε σχέση με άλλα φαινόμενα τα οποία έχουν να κάνουν με την καμπύλωση και την ερυθρή μετατόπιση του φωτός εντός βαρυτικών πεδίων. Κατά συνέπεια ούτε η κλασική φυσική αλλά και ούτε η ειδική θεωρία της σχετικότητας μπορούν να εξηγήσουν την επίδραση της βαρύτητας πάνω στο φως. Όλα αυτά τα φαινόμενα εξηγούνται από την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Συγκεκριμένα η ΓΘΣ θεωρεί ότι η ύλη (είτε μάζα είτε ενέργεια) καμπυλώνει τον τετραδιάστατο χωρόχρονο. Αυτό τι σημαίνει όμως. Σημαίνει ότι κάθε σωματίδιο ανεξάρτητα από το αν έχει μάζα ηρεμίας η όχι (οπότε συμπεριλαμβάνουμε και το φως, οι ιδιότητες του οποίου μπορούσαν να εξηγηθούν από την κλασική θεωρία) ακολουθεί τα συντομότερα μονοπάτια στον καμπυλωμένο χωρόχρονο. Αν φανταστούμε το σύμπαν σαν ένα ελαστικό φύλλο το βαρυτικό πεδίο γύρω από ένα σώμα θα είναι σαν ένα βαθούλωμα στο φύλλο (και το συνομότερο μονοπάτι δε θα είναι πια μια ευθεία αλλά μια καμπύλη, για αυτό και τα σώματα κάνουν καμπύλες τροχιές όταν βρίσκονται εντός βαρυτικών πεδίων), γύρω όμως από μια μαύρη τρύπα η καμπύλωση (δηλαδή το βαθούλωμα όπως το φανταζόμαστε) είναι τόσο βαθύ και απότομο που στο κέντρο του δημιουργείται μια τρύπα, αυτή είναι η ανωμαλία (singularity) που βρίσκεται στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας. Γύρω από την ανωμαλία η καμπύλωση είναι τόσο μεγάλη που ακόμη και το φως δεν μπορεί να την ξεπεράσει με αποτέλεσμα να εγκλωβίζεται στο εσωτερικό. Για την ακρίβεια το φως δεν μπορεί να ξαναβγεί εφόσον εισέλθει σε μια περιοχή ακτίνας r=2GM/c². Αυτή η περιοχή είναι η μαύρη τρύπα και η σφαίρα ακτίνας r που την περιβάλλει, ο ορίζοντας γεγονότων (δηλαδή όποια πληροφορία περάσει στο εσωτερικό του ορίζοντα δεν μπορεί να ξαναγυρίσει στο υπόλοιπο σύμπαν).

 

Γενικά η μαύρη τρύπα προκύπτει ως αστρικό πτώμα. Δηλαδή όταν ένα αστέρι καταναλώσει τα πυρηνικά του καύσιμα τότε η βαρύτητα το πιέζει να συσταλεί και αυτό δεν μπορεί να προβάλει κάποια αντίσταση διότι δεν έχει κάποιο μηχανισμό να του διοχετεύσει ενέργεια ώστε να αντισταθεί στην βαρυτική κατάρρευση. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα να δημιουργηθεί ένας λευκός νάνος ή ένας αστέρας νετρονίων που η αντίσταση στην βαρυτική κατάρρευση οφείλεται στην πίεση εκφυλισμού ηλεκτρονίων ή νετρονίων αντίστοιχα. Αν όμως η βαρυτική πίεση είναι ακόμη μεγαλύτερη το αστέρι θα συνεχίσει να συστέλεται τότε θα δημιουργήσει μια μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα θα έχει τις ιδιότητες που είδαμε, δηλαδή λόγω της ισχυρής της βαρύτητας τίποτα δεν θα μπορεί να ξεφύγει από το εσωτερικό της ενώ θα έλκει τα πάντα προς το κέντρο της. Τα μόνα πράγματα που θα χαρακτηρίζουν την συμπεριφορά της είναι η μάζα της που καθορίζει την ένταση του βαρυτικού της πεδίου, το ηλεκτρικό φορτιο που τυχόν περιέχει και η στροφορμή (δηλαδή πιθανή περιστροφή που εκτελουσε το αστέρι πριν καταρρεύσει σε μαύρη τρύπα). Ανάλογα με αυτές τις ποσότητες έχουν και διαφορετικές ιδιότητες. Μια άλλη περίπτωση μαύρης τρύπας είναι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες οι οποίες δημιουργήθηκαν λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη. Τέλος μαύρες τρύπες πιθανότατα να υπάρχουν στους πυρήνες των γαλαξιών οι οποίες είναι γιγαντιαίες σε μέγεθος και λειτουργούν ως κοσμικές ρουφήχτρες που τραβούν την ύλη στον πυρήνα του γαλαξία.