Τι είναι μια μαύρη τρύπα; Τι είναι ο ορίζοντας συμβάντος;

Ερώτηση: Τι είναι μια μαύρη τρύπα;

Τι είναι μια μαύρη τρύπα; Πότε σχηματίζονται μαύρες τρύπες; Μπορούν οι επιστήμονες να δουν μια μαύρη τρύπα; Ποιος είναι ο "ορίζοντας συμβάντος" μιας μαύρης τρύπας;

Απάντηση: Μια μαύρη τρύπα είναι μια θεωρητική οντότητα που προβλέπεται από τις εξισώσεις του γενική σχετικότητα. Μια μαύρη τρύπα σχηματίζεται όταν ένα αστέρι επαρκούς μάζας υφίσταται βαρυτική κατάρρευση, με το μεγαλύτερο μέρος ή το σύνολο της μάζας του συμπιεσμένο σε μια επαρκώς μικρή περιοχή του χώρου, προκαλώντας καμπυλότητα απεριόριστου χωροχρόνου σε αυτό το σημείο (α "μοναδικότητα"). Μια τέτοια μαζική καμπυλότητα του χωροχρόνου δεν επιτρέπει τίποτα, ούτε καν φως, να ξεφύγει από τον «ορίζοντα γεγονότων» ή τα σύνορα.

Οι μαύρες τρύπες δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ άμεσα, αν και οι προβλέψεις των αποτελεσμάτων τους έχουν ταιριάξει παρατηρήσεις. Υπάρχει μια χούφτα εναλλακτικών θεωριών, όπως τα Μαγνητοσφαιρικά Αιώνια Συρρικνούμενα Αντικείμενα (MECOs), για να εξηγήσουν αυτές τις παρατηρήσεις, οι περισσότερες από τις οποίες αποφεύγουν τον χωροχρόνο μοναδικότητα στο κέντρο της μαύρης τρύπας, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία των φυσικών πιστεύει ότι η εξήγηση της μαύρης τρύπας είναι η πιο πιθανή φυσική αναπαράσταση του τι είναι που λαμβάνουν χώρα.

Κατά τη δεκαετία του 1700, υπήρχαν ορισμένοι που πρότειναν ότι ένα υπερμαχικό αντικείμενο θα μπορούσε να τραβήξει φως σε αυτό. Τα νέκτανα οπτικά ήταν μια σωματο-δομική θεωρία του φωτός, που επεξεργάζεται το φως ως σωματίδια.

Ο John Michell δημοσίευσε ένα έγγραφο το 1784 προβλέποντας ότι ένα αντικείμενο με ακτίνα 500 φορές μεγαλύτερο από εκείνο του ήλιου (αλλά με την ίδια πυκνότητα) θα είχε ταχύτητα διαφυγής την ταχύτητα του φωτός στην επιφάνεια του και επομένως να είναι αόρατη. Το ενδιαφέρον για τη θεωρία πέθανε στη δεκαετία του 1900, ωστόσο, καθώς κυριαρχούσε η θεωρία των κυμάτων του φωτός.

Όταν αναφέρονται σπάνια στη σύγχρονη φυσική, αυτές οι θεωρητικές οντότητες αναφέρονται ως "σκοτεινά αστέρια" για να τα διακρίνουν από τις αληθινές μαύρες τρύπες.

Μέσα σε μήνες από την έκδοση γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1916, ο φυσικός Karl Schwartzchild παρήγαγε μια λύση στην εξίσωση του Einstein για μια σφαιρική μάζα (που ονομάζεται Schwartzchild μετρική)... με απροσδόκητα αποτελέσματα.

Ο όρος που εκφράζει την ακτίνα είχε ένα ενοχλητικό χαρακτηριστικό. Φαινόταν ότι για μια ορισμένη ακτίνα, ο παρονομαστής του όρου θα καθίστατο μηδέν, γεγονός που θα προκαλούσε τον όρο να "ανατινάξει" μαθηματικά. Αυτή η ακτίνα, γνωστή ως Ακτίνα Schwartzchild, r_μικρό, ορίζεται ως:

r_μικρό = 2 GM/ ντο²

σολ είναι η σταθερά βαρύτητας, Μ είναι η μάζα και ντο είναι η ταχύτητα του φωτός.

Δεδομένου ότι το έργο του Schwartzchild αποδείχθηκε ζωτικής σημασίας για την κατανόηση των μαύρων οπών, είναι περίεργο το γεγονός ότι το όνομα Schwartzchild μεταφράζεται σε "μαύρη ασπίδα".

Ένα αντικείμενο του οποίου ολόκληρη η μάζα Μ βρίσκεται μέσα r_μικρό θεωρείται ότι είναι μια μαύρη τρύπα. Ορίζοντας γεγονότων είναι το όνομα που δίνεται r_μικρό, επειδή από την ακτίνα αυτή η ταχύτητα διαφυγής από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας είναι η ταχύτητα του φωτός. Μαύρες τρύπες τραβούν μάζα μέσα από βαρυτικές δυνάμεις, αλλά καμία από αυτή τη μάζα δεν μπορεί ποτέ να ξεφύγει.

Μια μαύρη τρύπα εξηγείται συχνά ως ένα αντικείμενο ή μια μάζα που "πέφτει" σε αυτό.

Y ρολόγια X Πτώση σε μια μαύρη τρύπα

• Το Y παρατηρεί τα εξιδανικευμένα ρολόγια στο X που επιβραδύνουν, παγώνουν στο χρόνο όταν χ hit r_μικρό
• Το Y παρατηρεί το φως από το X redshift, αγγίζοντας το άπειρο r_μικρό (έτσι το Χ γίνεται αόρατο - αλλά με κάποιο τρόπο μπορούμε ακόμα να δούμε τα ρολόγια τους. Δεν είναι θεωρητική φυσική μεγαλειώδης?)
• Το X αντιλαμβάνεται θεωρητικά την αλλαγή, τη στιγμή που διασχίζει r_μικρό είναι αδύνατο να ξεφύγει από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας. (Ακόμη και το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από τον ορίζοντα συμβάντος.)

Στη δεκαετία του 1920, οι φυσικοί Subrahmanyan Chandrasekhar συμπέραναν ότι οποιοδήποτε αστέρι πιο μαζικό από τις 1.44 ηλιακές μάζες ( Όριο Chadrasekhar) πρέπει να καταρρεύσει υπό γενική σχετικότητα. Ο φυσικός Αρθούρος Eddington πίστευε ότι κάποια περιουσία θα εμπόδιζε την κατάρρευση. Και οι δύο είχαν δίκιο, με τον δικό τους τρόπο.

Robert Oppenheimer προέβλεψε το 1939 ότι ένα υπερμεγέθη αστέρι θα μπορούσε να καταρρεύσει, σχηματίζοντας έτσι ένα "παγωμένο αστέρι" στη φύση, παρά μόνο στα μαθηματικά. Η κατάρρευση φαίνεται να επιβραδύνεται, στην πραγματικότητα πάγωμα στο χρόνο στο σημείο που διασχίζει r_μικρό. Το φως από το αστέρι θα βιώσει ένα βαρύ redshift στο r_μικρό.

Δυστυχώς, πολλοί φυσικοί το θεώρησαν ως ένα χαρακτηριστικό της εξαιρετικά συμμετρικής φύσης του Schwartzchild μετρικό, πιστεύοντας ότι στη φύση μια τέτοια κατάρρευση δεν θα πραγματοποιηθεί πραγματικά λόγω ασυμμετρίες.

Δεν ήταν μέχρι το 1967 - σχεδόν 50 χρόνια μετά την ανακάλυψη r_μικρό - ότι οι φυσικοί Stephen Hawking και ο Roger Penrose έδειξαν ότι όχι μόνο οι μαύρες τρύπες ήταν άμεσο αποτέλεσμα της γενικής σχετικότητας, αλλά επίσης ότι δεν υπήρχε τρόπος να σταματήσουμε μια τέτοια κατάρρευση. Η ανακάλυψη των παλμών υποστήριζε αυτή τη θεωρία και, λίγο αργότερα, ο φυσικός John Wheeler εφάρμοσε τον όρο "μαύρη τρύπα" για το φαινόμενο σε διάλεξη της 29ης Δεκεμβρίου 1967.

Μεταγενέστερη εργασία περιέλαβε την ανακάλυψη του Η ακτινοβολία Hawking, στην οποία οι μαύρες τρύπες μπορούν να εκπέμπουν ακτινοβολία.

Οι μαύρες τρύπες είναι ένα πεδίο που αντλεί θεωρητικούς και πειραματιστές που θέλουν μια πρόκληση. Σήμερα υπάρχει σχεδόν καθολική συμφωνία ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες, αν και η ακριβής τους φύση εξακολουθεί να είναι υπό αμφισβήτηση. Ορισμένοι πιστεύουν ότι το υλικό που πέφτει σε μαύρες τρύπες μπορεί να επανεμφανιστεί κάπου αλλού στο σύμπαν, όπως στην περίπτωση ενός σκουληκότρυπα.

Μια σημαντική προσθήκη στη θεωρία των μαύρων τρυπών είναι αυτή της Η ακτινοβολία Hawking, που αναπτύχθηκε από το βρετανικό φυσικό Stephen Hawking το 1974.