Co to jest czarna dziura? Czym jest horyzont zdarzeń?

Pytanie: Co to jest czarna dziura?

Co to jest czarna dziura? Kiedy powstają czarne dziury? Czy naukowcy widzą czarną dziurę? Jaki jest „horyzont zdarzeń” czarnej dziury?

Odpowiedź: Czarna dziura jest jednostką teoretyczną przewidywaną przez równania ogólna teoria względności. Czarna dziura powstaje, gdy gwiazda o wystarczającej masie ulega zapadkowi grawitacyjnemu, z większością lub całą swoją masą ściśnięty w wystarczająco małym obszarze przestrzeni, powodując nieskończoną krzywiznę czasoprzestrzeni w tym punkcie (a "osobliwość"). Tak masywna krzywizna czasoprzestrzeni nie pozwala nic, nawet światła, na ucieczkę z „horyzontu zdarzeń” lub granicy.

Czarnych dziur nigdy nie zaobserwowano bezpośrednio, choć przewidywania ich skutków były zgodne z obserwacjami. Istnieje garść alternatywnych teorii, takich jak magnetosferyczne wiecznie zapadające się obiekty (MECO), wyjaśniające te obserwacje, z których większość unika czasoprzestrzeni osobliwość w centrum czarnej dziury, ale ogromna większość fizyków uważa, że ​​wyjaśnienie czarnej dziury jest najbardziej prawdopodobnym fizycznym przedstawieniem tego, co jest mieć miejsce.

W XVIII wieku byli tacy, którzy proponowali, że supermasywny obiekt może przyciągnąć do niego światło. Optyka newtonowska była korpuskularną teorią światła, traktującą światło jak cząstki.

John Michell opublikował artykuł w 1784 roku przewidujący, że obiekt o promieniu 500 razy większym niż Słońce (ale o tej samej gęstości) będzie miał prędkość ucieczki wynoszącą prędkość światła na swojej powierzchni, a zatem być niewidocznym. Zainteresowanie teorią umarło jednak w 1900 roku, kiedy to falowa teoria światła zyskała na znaczeniu.

Te rzadko spotykane we współczesnej fizyce te teoretyczne jednostki nazywane są „ciemnymi gwiazdami”, aby odróżnić je od prawdziwych czarnych dziur.

W ciągu kilku miesięcy od opublikowania przez Einsteina ogólnej teorii względności w 1916 roku fizyk Karl Schwartzchild opracował rozwiązanie równania Einsteina dla masy kulistej (zwanej Metryka Schwartzchilda)... z nieoczekiwanymi wynikami.

Pojęcie wyrażające promień miało niepokojącą cechę. Wydawało się, że dla pewnego promienia mianownik terminu wyniesie zero, co spowoduje matematyczny „wysadzenie” terminu. Ten promień, znany jako Promień Schwartzchilda, r_s, jest zdefiniowany jako:

r_s = 2 GM/ do²

sol jest stałą grawitacyjną, M. jest masą, i do to prędkość światła.

Ponieważ praca Schwartzchilda okazała się kluczowa dla zrozumienia czarnych dziur, dziwnym zbiegiem okoliczności jest to, że nazwa Schwartzchild tłumaczy się na „czarna tarcza”.

Obiekt, którego cała masa M. leży wśród r_s jest uważany za czarną dziurę. Horyzont zdarzeń to nazwa nadana r_s, ponieważ z tego promienia prędkość ucieczki od grawitacji czarnej dziury jest prędkością światła. Czarne dziury wciągać masę przez siły grawitacyjne, ale żadna z tych mas nigdy nie może uciec.

Czarna dziura jest często wyjaśniana w kategoriach „wpadnięcia” do niej przedmiotu lub masy.

Y patrzy, jak X wpada w czarną dziurę

• Y obserwuje wyidealizowane zegary na X zwalniające, zamrażające w czasie, gdy X uderza r_s
• Y obserwuje światło z przesunięcia ku czerwieni X, osiągając nieskończoność przy r_s (w ten sposób X staje się niewidoczny - a mimo to wciąż widzimy ich zegary. Nie jest Fizyka teoretyczna wielki?)
• X w teorii dostrzega zauważalną zmianę, choć raz ją przekroczy r_s niemożliwe jest, aby kiedykolwiek uciec przed grawitacją czarnej dziury. (Nawet światło nie może uciec przed horyzontem zdarzeń.)

W latach dwudziestych fizycy Subrahmanyan Chandrasekhar wywnioskowali, że każda gwiazda masywniejsza niż 1,44 masy Słońca ( Limit Chadrasekhar) musi się zawalić w ogólnej teorii względności. Fizyk Arthur Eddington wierzył, że jakaś własność zapobiegnie zawaleniu się. Obaj mieli rację na swój sposób.

Robert Oppenheimer przepowiedział w 1939 r., że supermasywna gwiazda może się zapaść, tworząc w ten sposób „zamrożoną gwiazdę” w naturze, a nie tylko w matematyce. Zapaść wydaje się zwalniać, faktycznie zamarzając w czasie w punkcie, w którym się przecina r_s. Światło z gwiazdy doświadczyłoby ciężkiego przesunięcie ku czerwieni w r_s.

Niestety wielu fizyków uważało to za cechę wysoce symetrycznej natury Metryka Schwartzchilda, wierząc, że w przyrodzie takie załamanie nie nastąpiłoby z powodu asymetrie.

To było dopiero w 1967 roku - prawie 50 lat po odkryciu r_s - ci fizycy Stephen Hawking a Roger Penrose wykazał, że czarne dziury były nie tylko bezpośrednim wynikiem ogólnej teorii względności, ale także, że nie było sposobu na powstrzymanie takiego zawalenia. Odkrycie pulsarów poparło tę teorię, a wkrótce potem fizyk John Wheeler ukuł to zjawisko w wykładzie z 29 grudnia 1967 r.

Kolejne prace obejmowały odkrycie Promieniowanie Hawkinga, w którym czarne dziury mogą emitować promieniowanie.

Czarne dziury to pole, które przyciąga teoretyków i eksperymentatorów, którzy chcą wyzwania. Obecnie istnieje niemal powszechna zgoda co do tego, że istnieją czarne dziury, choć ich dokładna natura jest nadal wątpliwa. Niektórzy uważają, że materiał, który wpada w czarne dziury, może pojawić się gdzie indziej we wszechświecie, jak w przypadku tunel czasoprzestrzenny.

Jednym z istotnych uzupełnień teorii czarnych dziur jest teoria Promieniowanie Hawkinga, opracowany przez brytyjskiego fizyka Stephen Hawking w 1974 r.