Kas ir melnais caurums? Kas ir notikumu horizonts?

Jautājums: Kas ir melnais caurums?

Kas ir melnais caurums? Kad veidojas melnie caurumi? Vai zinātnieki var redzēt melno caurumu? Kāds ir melnā cauruma "notikumu horizonts"?

Atbilde: Melnais caurums ir teorētiska vienība, ko prognozē vispārējā relativitāte. Melns caurums veidojas, kad pietiekamas masas zvaigzne piedzīvo gravitācijas sabrukumu ar lielāko vai visu tās masu saspiests pietiekami mazā telpas laukumā, šajā vietā izraisot bezgalīgu kosmosa laika izliekumu (a "singularitāte"). Šāds milzīgs kosmosa laika izliekums neko, pat gaismu, neļauj izkļūt no “notikumu horizonta” vai robežas.

Melnie caurumi nekad nav tieši novēroti, lai gan to ietekmes prognozes sakrīt ar novērojumiem. Pastāv nedaudzas alternatīvas teorijas, piemēram, magnētosfēras mūžīgi sabrūkošie objekti (MECO), lai izskaidrotu šos novērojumus, no kuriem vairums izvairās no kosmosa laika singularitāte melnā cauruma centrā, taču lielākais vairums fiziķu uzskata, ka melnā cauruma skaidrojums, visticamāk, ir fiziskais attēlojums tam, kas ir notiek.

1700. gados bija daži, kas ierosināja, ka supermasīvs objekts varētu tajā ienest gaismu. Ņūtona optika bija gaismveida teorija, apstrādājot gaismu kā daļiņas.

Džons Mičels 1784. gadā publicēja rakstu, kurā tika prognozēts, ka objektam, kura rādiuss ir 500 reizes lielāks par saules rādītājiem (bet ar tādu pašu blīvumu), evakuācijas ātrums ir gaismas ātrumu uz tās virsmas un tādējādi būt neredzams. Interese par teoriju nomira jau pagājušā gadsimta divdesmitajos gados, jo gaismas viļņu teorijai bija liela nozīme.

Ja mūsdienu fizikā tās reti minētas, šīs teorētiskās vienības tiek sauktas par "tumšajām zvaigznēm", lai tās atšķirtu no īstajiem melnajiem caurumiem.

Dažu mēnešu laikā pēc tam, kad Einšteins publicēja vispārējo relativitāti 1916. gadā, fiziķis Kārlis Švarcschilds izstrādāja risinājumu Einšteina sfēriskās masas vienādojumam (ko sauca par Schwartzchild metrika)... ar negaidītiem rezultātiem.

Terminam, kas izsaka rādiusu, bija satraucoša iezīme. Likās, ka noteiktā rādiusā termina saucējs kļūs nulle, kas izraisīs termina matemātisko "uzspridzināšanu". Šis rādiuss, kas pazīstams kā Schwartzchild rādiuss, r_s, ir definēts kā:

r_s = 2 ĢM/ c²

G ir gravitācijas konstante, M ir masa, un c ir gaismas ātrums.

Tā kā Schwartzchild darbs izrādījās būtisks melno caurumu izpratnē, ir nepāra sakritība, ka vārds Schwartzchild tulkojumā nozīmē "melns vairogs".

Objekts, kura visa masa M atrodas iekšā r_s tiek uzskatīts par melno caurumu. Notikumu horizonts ir nosaukums, kas dots r_s, jo no šī rādiusa evakuācijas ātrums no melnā cauruma smaguma ir gaismas ātrums. Melnie caurumi piesaistīt masu caur gravitācijas spēkiem, bet neviena no šīm masām nekad nevar izkļūt.

Melnais caurums bieži tiek izskaidrots ar priekšmetu vai masu, kas tajā "iekrīt".

Y pulksteņi X iekrīt melnā caurumā

• Y novēro idealizētus pulksteņus uz X, palēninoties, sasalstot laikā, kad X trāpa r_s
• Y novēro gaismu no X sarkanā nobīdes, sasniedzot bezgalību plkst r_s (tādējādi X kļūst neredzams - tomēr kaut kā mēs joprojām varam redzēt viņu pulksteņus). Nav teorētiskā fizika grandiozs?)
• X teorētiski uztver pamanāmas izmaiņas, kaut arī reiz tās šķērso r_s tai nav iespējams nekad izkļūt no melnā cauruma smaguma. (Pat gaisma nevar izbēgt no notikuma horizonta.)

1920. gados fiziķi Subrahmanyan Chandrasekhar secināja, ka jebkura zvaigzne, kas ir masīvāka par 1,44 saules masām ( Chadrasekhar robeža) ir jāsabrūk vispārējās relativitātes apstākļos. Fiziķis Artūrs Eddingtons uzskatīja, ka kāds īpašums novērsīs sabrukumu. Abiem bija taisnība, savā veidā.

Roberts Oppenheimers 1939. gadā paredzēja, ka supermasīva zvaigzne var sabrukt, tādējādi veidojot “sasalušu zvaigzni” dabā, nevis tikai matemātikā. Šķiet, ka sabrukums palēnināsies, faktiski iesaldējot laikā, kad tas šķērsojas r_s. Zvaigžņu gaisma piedzīvos smagu sarkanā maiņa plkst r_s.

Diemžēl daudzi fiziķi to uzskatīja tikai par ļoti simetriskā rakstura iezīmi Schwartzchild metrika, uzskatot, ka dabā šāds sabrukums faktiski nenotiks sakarā ar asimetrijas.

Tas notika tikai 1967. gadā - gandrīz 50 gadus pēc r_s - ka fiziķi Stīvens Hokings un Rodžers Penrozs parādīja, ka ne tikai melnie caurumi bija tiešas vispārējās relativitātes rezultāts, bet arī ka nebija iespējas apturēt šādu sabrukumu. Pulsāru atklāšana atbalstīja šo teoriju, un neilgi pēc tam fiziķis Džons Vellers 1967. gada 29. decembra lekcijā parādīja fenomenam terminu "melnais caurums".

Turpmākajā darbā ir iekļauta Hawking starojums, kurā melnie caurumi var izstarot starojumu.

Melnie caurumi ir lauks, kas piesaista teorētiķus un eksperimentētājus, kuri vēlas izaicinājumu. Mūsdienās ir gandrīz vispārēja vienošanās par melno caurumu pastāvēšanu, lai gan to precīzais raksturs joprojām ir apšaubāms. Daži uzskata, ka materiāls, kas iekrīt melnajos caurumos, var parādīties kaut kur citur Visumā, piemēram, gadījumā ar a tārpa caurums.

Viens būtisks melno caurumu teorijas papildinājums ir Hawking starojums, kuru izstrādājis britu fiziķis Stīvens Hokings 1974. gadā.