Co je černá díra? Co je horizont událostí?

Otázka: Co je černá díra?

Co je černá díra? Kdy se tvoří černé díry? Mohou vědci vidět černou díru? Jaký je „horizont událostí“ černé díry?

Odpovědět: Černá díra je teoretická entita předpovídaná rovnicemi obecná relativita. Černá díra se vytvoří, když hvězda dostatečné hmoty podstoupí gravitační kolaps, s většinou nebo celou její hmotou stlačený do dostatečně malé oblasti prostoru, což v tomto bodě způsobuje nekonečnou křivost časoprostoru (a "jedinečnost"). Taková masivní křivka prostoročasu neumožňuje nic, dokonce ani světlo, uniknout z „horizontu události“ nebo hranice.

Černé díry nebyly nikdy přímo pozorovány, ačkoli předpovědi jejich účinků mají shodná pozorování. Existuje několik alternativních teorií, například Magnetospheric Eternally Collapsing Objects (MECO), které vysvětlují tato pozorování, z nichž většina se vyhýbá časoprostoru jedinečnost ve středu černé díry, ale velká většina fyziků věří, že vysvětlení černé díry je nejpravděpodobnější fyzickou reprezentací toho, co je probíhá.

V 1700s, tam byli někteří kdo navrhoval, že supermasivní předmět by mohl do něj vnést světlo. Newtonovská optika byla korpuskulární teorie světla, která chovala světlo jako částice.

John Michell publikoval dokument v roce 1784 předpovídající, že objekt s poloměrem 500 krát větší než Slunce (ale se stejnou hustotou) by měl únikovou rychlost rychlost světla na jeho povrchu, a tak být neviditelný. Zájem o teorii zemřel v 1900s, nicméně, vlnová teorie světla získala význam.

Když se zřídkakdy odkazuje na moderní fyziku, jsou tyto teoretické entity označovány jako „temné hvězdy“, aby je odlišily od pravých černých děr.

Během měsíců Einsteinovy ​​publikace obecné relativity v roce 1916 vytvořil fyzik Karl Schwartzchild řešení Einsteinovy ​​rovnice pro sférickou hmotu (tzv. Schwartzchildova metrika)... s neočekávanými výsledky.

Výraz vyjadřující poloměr měl znepokojující rys. Zdálo se, že pro určitý poloměr by se jmenovatel termínu stal nulovým, což by matematicky způsobilo, že se tento termín „vyhodí do povětří“. Tento poloměr, známý jako Poloměr Schwartzchild, r_s, je definován jako:

r_s = 2 GM/ C²

G je gravitační konstanta, M je hmotnost a C je rychlost světla.

Protože se práce Schwartzchilda ukázala jako zásadní pro pochopení černých děr, je zvláštní náhodou, že se název Schwartzchild překládá na „černý štít“.

Objekt, jehož celá hmota M leží uvnitř r_s je považována za černou díru. Horizont události je jméno dané r_s, protože z tohoto poloměru je úniková rychlost z gravitace černé díry rychlostí světla. Černé díry vtáhnout hmotu gravitačními silami, ale žádná z těchto hmot nemůže nikdy uniknout.

Černá díra je často vysvětlována jako předmět nebo hmota, do které „spadá“.

Y hodinky X spadají do černé díry

• Y pozoruje, že idealizované hodiny na X se zpomalují a mrznou v době, kdy X zasáhne r_s
• Y pozoruje světlo z X redshift a dosahuje nekonečna na r_s (X se tak stává neviditelným - přesto nějak vidíme jejich hodiny. Není teoretická fyzika velký?)
• X vnímá znatelnou změnu teoreticky, i když jakmile přejde r_s je nemožné, aby vůbec unikla z gravitace černé díry. (Dokonce ani světlo nemůže uniknout horizontu události.)

Ve dvacátých létech fyzikové Subrahmanyan Chandrasekhar usoudili, že každá hvězda je hmotnější než 1,44 sluneční hmoty ( Chadrasekharův limit) se musí zhroutit pod obecnou relativitou. Fyzik Arthur Eddington věřil, že některé vlastnosti by zabránily kolapsu. Oba měli pravdu, svým způsobem.

Robert Oppenheimer v roce 1939 předpověděl, že by se mohla zhroutit supermasivní hvězda, čímž by se v přírodě vytvořila „zamrzlá hvězda“, nikoli jen v matematice. Zdá se, že kolaps se zpomalil, ve skutečnosti v okamžiku, kdy kříží, ve skutečnosti mrzne r_s. Světlo z hvězdy by zažilo těžký redshift na r_s.

Bohužel, mnoho fyziků to považovalo pouze za rys vysoce symetrické povahy Schwartzchildova metrika, věřící, že v přírodě by k takovému kolapsu vlastně nedošlo asymetrie.

To nebylo až do roku 1967 - téměř 50 let po objevu r_s - že fyzici Stephen Hawking a Roger Penrose ukázal, že nejen černé díry byly přímým důsledkem obecné relativity, ale také, že neexistuje žádný způsob, jak takový kolaps zastavit. Objev pulsarů podporoval tuto teorii a krátce nato fyzik John Wheeler vytvořil termín „černá díra“ pro tento jev v přednášce 29. prosince 1967.

Další práce zahrnovala objev Hawking záření, ve kterém černé díry mohou emitovat záření.

Černé díry jsou pole, které přitahuje teoretiky a experimentátory, kteří chtějí výzvu. Dnes panuje téměř všeobecná shoda v tom, že černé díry existují, ačkoli jejich přesná povaha je stále v pochybách. Někteří věří, že materiál, který upadá do černých děr, se může objevit někde jinde ve vesmíru, jako v případě červí díra.

Jeden významný doplněk k teorii černých děr je to Hawking záření, vyvinutý britským fyzikem Stephen Hawking v roce 1974.