Kaj je črna luknja? Kaj je obzorje dogodka?

Vprašanje: Kaj je črna luknja?

Kaj je črna luknja? Kdaj nastanejo črne luknje? Ali lahko znanstveniki vidijo črno luknjo? Kakšen je "obzorje dogodkov" črne luknje?

Odgovor: Črna luknja je teoretična entiteta, ki jo napovedujejo enačbe splošna relativnost. Črna luknja nastane, ko se zvezda z zadostno maso gravitacijsko zruši, z večino ali celotno maso stisnjen na dovolj majhno območje prostora, kar povzroči neskončno prostorsko ukrivljenost na tej točki (a "posebnost"). Tako obsežna ukrivljenost v vesolju ne dopušča, da bi iz "obzorja dogodka" ali meje ušli ničesar, niti svetloba.

Črnih lukenj niso nikoli neposredno opazili, čeprav so napovedi njihovih učinkov ustrezale opazovanjem. Obstaja peščica nadomestnih teorij, kot so magnetospherni večno zrušeni objekti (MECO), ki pojasnjujejo ta opažanja, ki se jih večina izogiba vesoljskemu času singularnost v središču črne luknje, vendar velika večina fizikov meni, da je razlaga črne luknje najverjetnejša fizična predstavitev tega, kar je poteka.

V 1700-ih letih je bilo nekaj, ki so predlagali, da bi lahko supermasivni objekt vlekel vanjo. Newtonova optika je bila korpuskularna teorija svetlobe, ki je svetlobo obravnavala kot delce.

John Michell je leta 1784 objavil članek, v katerem napoveduje, da bo objekt s polmerom 500-krat večji od sonca (vendar enake gostote) hitrost pobega hitrost svetlobe na njeni površini in tako biti neviden. Zanimivost za teorijo je umrla v 1900-ih letih, ko je valovna teorija svetlobe postala pomembna.

Kadar jih v sodobni fiziki le redko omenjajo, te teoretične entitete imenujemo "temne zvezde", da bi jih razlikovali od pravih črnih lukenj.

V mesecih po objavi splošne relativnosti Einsteina leta 1916 je fizik Karl Schwartzchild pripravil rešitev Einsteinove enačbe za sferično maso (imenovano Schwartzchildova metrika)... z nepričakovanimi rezultati.

Izraz, ki izraža polmer, je imel motečo lastnost. Zdelo se je, da bo za določen polmer imenovalec izraza postal nič, kar bi povzročilo, da se izraz matematično "raznese". Ta polmer, znan kot Schwartzchildov polmer, r_s, je opredeljeno kot:

r_s = 2 GM/ c²

G je gravitacijska konstanta, M je masa, in c je hitrost svetlobe.

Ker se je Schwartzchildovo delo izkazalo za ključno za razumevanje črnih lukenj, je nenavadno naključje, da ime Schwartzchild pomeni "črni ščit."

Predmet, katerega celotna masa M leži znotraj r_s velja za črno luknjo. Obzorje dogodkov je ime, ki mu je bilo dano r_s, ker je iz tega polmera hitrost bega iz gravitacije črne luknje hitrost svetlobe. Črne luknje vlečemo maso z gravitacijskimi silami, vendar ji nobena masa ne more uiti.

Črna luknja se pogosto razloži v smislu, da kakšen predmet ali masa "pade" vanjo.

Y ure X padejo v črno luknjo

• Y opazuje idealizirane ure na tem, da se X upočasni in zamrzne, ko X zadene r_s
• Y opazuje svetlobo iz rdečega premika X in doseže neskončnost na r_s (tako X postane neviden - vendar nekako še vedno lahko vidimo njihove ure. Ne gre teoretična fizika grand?)
• X teoretično opazi opazne spremembe, čeprav enkrat prestopi r_s nemogoče je, da bi kdaj ušel iz teže črne luknje. (Tudi svetloba ne more uiti obzorju dogodkov.)

V dvajsetih letih 20. stoletja so fiziki Subrahmanyan Chandrasekhar sklepali, da je vsaka zvezda bolj velika od 1,44 sončne mase ( Meja Chadrasekhar) se mora zrušiti pod splošno relativnostjo. Fizik Arthur Eddington je verjel, da bo neko premoženje preprečilo propad. Obe sta imeli prav, po svoje.

Robert Oppenheimer je leta 1939 napovedal, da se lahko supermasivna zvezda zruši in tako ustvari "zamrznjeno zvezdo" v naravi in ​​ne le v matematiki. Zdi se, da bi propad upočasnil, dejansko zamrzne v času, ko se prečka r_s. Luč iz zvezde bi doživela močno rdeče premikanje ob r_s.

Na žalost mnogi fiziki menijo, da je to le značilnost zelo simetrične narave Schwartzchildove metrike, ki verjame, da v naravi takšnega kolapsa dejansko ne bo asimetrije.

Šele leta 1967 - skoraj 50 let po odkritju leta 1967 r_s - da fiziki Stephen Hawking in Roger Penrose sta pokazala, da niso le črne luknje neposredna posledica splošne relativnosti, ampak tudi, da takšnega kolapsa ni bilo mogoče zaustaviti. Odkritje pulsarjev je podprlo to teorijo in kmalu zatem je fizik John Wheeler na predavanju 29. decembra 1967 skoval izraz "črna luknja" za pojav.

Kasnejše delo je vključevalo odkritje Hawkingovo sevanje, v katerih lahko črne luknje oddajajo sevanje.

Črne luknje so polje, ki privlači teoretike in eksperimentalce, ki želijo izziv. Danes obstaja skoraj vsesplošno soglasje, da črne luknje obstajajo, čeprav je njihova natančnost še vedno pod vprašajem. Nekateri verjamejo, da se lahko material, ki pade v črne luknje, ponovno pojavi nekje drugje v vesolju, kot v primeru a pelin.

Pomemben dodatek k teoriji črnih lukenj je tista o Hawkingovo sevanje, ki ga je razvil britanski fizik Stephen Hawking leta 1974.