Vad är ett svart hål? Vad är evenemangshorisonten?

Fråga: Vad är ett svart hål?

Vad är ett svart hål? När bildas svarta hål? Kan forskare se ett svart hål? Vad är "händelseshorisonten" för ett svart hål?

Svar: Ett svart hål är en teoretisk enhet som förutses av ekvationerna av allmän relativitet. Ett svart hål bildas när en stjärna med tillräcklig massa genomgår gravitationskollaps, med de flesta eller hela sin massa komprimeras till ett tillräckligt litet utrymme, vilket orsakar oändlig rymdtidskröning vid den punkten (a "säregenhet"). En sådan massiv rymdtidskröning tillåter ingenting, inte ens ljus, att fly från "händelseshorisonten" eller gränsen.

Svarta hål har aldrig observerats direkt, även om förutsägelser om deras effekter har matchat observationer. Det finns en handfull alternativa teorier, såsom magnetosfäriska evigt kollapsande objekt (MECO), för att förklara dessa observationer, de flesta som undviker rymdtiden singularitet i mitten av det svarta hålet, men de allra flesta fysiker tror att förklaringen till det svarta hålet är den mest troliga fysiska representationen av vad som är tar plats.

På 1700-talet var det några som föreslog att ett supermassivt föremål kunde dra ljus in i det. Newtonian optik var en korpuskulär teori om ljus som behandlade ljus som partiklar.

John Michell publicerade ett papper 1784 och förutspådde att ett objekt med en radie 500 gånger solens (men samma densitet) skulle ha en utrymningshastighet på ljusets hastighet vid dess yta, och därmed vara osynliga. Intresset för teorin dog på 1900-talet, eftersom vågteorin om ljus tog framträdande.

När de sällan hänvisas till i modern fysik kallas dessa teoretiska enheter som "mörka stjärnor" för att skilja dem från sanna svarta hål.

Inom månader efter Einsteins publicering av allmän relativitet 1916 producerade fysikern Karl Schwartzchild en lösning på Einsteins ekvation för en sfärisk massa (kallad Schwartzchild metriska)... med oväntade resultat.

Termen som uttrycker radien hade en störande funktion. Det verkade som att för en viss radie skulle nämnaren för termen bli noll, vilket skulle göra att termen "sprängs" matematiskt. Denna radie, känd som Schwartzchild radie, r_s, är definierad som:

r_s = 2 GM/ c²

G är gravitationskonstanten, M är massan, och c är ljusets hastighet.

Eftersom Schwartzchilds arbete visade sig vara avgörande för att förstå svarta hål, är det ett konstigt slump att namnet Schwartzchild översätter till "svart sköld."

Ett objekt vars hela massa M ligger inom r_s anses vara ett svart hål. Händelseshorisont är namnet som ges r_s, för från den radien är flyktningshastigheten från det svarta hålets tyngd ljusets hastighet. Svarta hål dra massa in genom gravitationskrafter, men ingen av den massan kan någonsin fly.

Ett svart hål förklaras ofta i termer av att ett objekt eller en massa "faller i" det.

Y Watches X faller in i ett svart hål

• Y observerar idealiserade klockor på X som avtar, fryser i tiden när X träffar r_s
• Y observerar ljus från X redshift och når oändlighet kl r_s (så blir X osynlig - men på något sätt kan vi fortfarande se deras klockor. är inte teoretisk fysik stor?)
• X uppfattar märkbar förändring, i teorin, men när den väl passerar r_s det är omöjligt för det att någonsin fly från det svarta hålets allvar. (Till och med ljus kan inte undgå händelseshorisonten.)

På 1920-talet drog fysikerna Subrahmanyan Chandrasekhar att någon stjärna mer massiv än 1,44 solmassor ( Chadrasekhar gräns) måste kollapsa under allmän relativitet. Fysikern Arthur Eddington trodde att vissa egendomar skulle förhindra kollapsen. Båda hade rätt, på sitt sätt.

Robert Oppenheimer 1939 förutspådde att en supermassiv stjärna kunde kollapsa och därmed bilda en "frusen stjärna" i naturen, snarare än bara i matematik. Kollapsen verkar avta och faktiskt frysa i tiden vid den punkt den passerar r_s. Ljuset från stjärnan skulle uppleva en tung rödförskjutning på r_s.

Tyvärr ansåg många fysiker att detta endast var ett inslag i den mycket symmetriska karaktären hos Schwartzchild-metriken och trode att en sådan kollaps i naturen inte skulle äga rum på grund av asymmetrier.

Det var inte förrän 1967 - nästan 50 år efter upptäckten av r_s - att fysiker Stephen Hawking och Roger Penrose visade att inte bara var svarta hål ett direkt resultat av allmän relativitet, utan också att det inte fanns något sätt att stoppa en sådan kollaps. Upptäckten av pulsars stödde denna teori och kort därefter myntade fysikern John Wheeler uttrycket "svart hål" för fenomenet i en föreläsning den 29 december 1967.

Efterföljande arbete har inkluderat upptäckten av Hawking strålning, där svarta hål kan avge strålning.

Svarta hål är ett fält som drar teoretiker och experter som vill ha en utmaning. Idag finns det nästan universellt enighet om att svarta hål finns, även om deras exakta natur fortfarande är ifrågasatt. Vissa tror att materialet som faller i svarta hål kan dyka upp någon annanstans i universum, som i fallet med a maskhål.

Ett betydande tillägg till teorin om svarta hål är den för Hawking strålning, utvecklad av brittisk fysiker Stephen Hawking 1974.