Was ist ein Schwarzes Loch? Was ist der Ereignishorizont?

Frage: Was ist ein Schwarzes Loch?

Was ist ein Schwarzes Loch? Wann bilden sich schwarze Löcher? Können Wissenschaftler ein Schwarzes Loch sehen? Was ist der "Ereignishorizont" eines Schwarzen Lochs?

Antworten: Ein Schwarzes Loch ist eine theoretische Einheit, die durch die Gleichungen von vorhergesagt wird generelle Relativität. Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein Stern mit ausreichender Masse durch Gravitation zusammenbricht, wobei der größte Teil oder die gesamte Masse vorhanden ist auf einen ausreichend kleinen Raumbereich komprimiert, wodurch an diesem Punkt eine unendliche Raumzeitkrümmung verursacht wird (a "Singularität"). Eine solch massive Raumzeitkrümmung lässt nichts, nicht einmal Licht, aus dem "Ereignishorizont" oder der Grenze entweichen.

Schwarze Löcher wurden nie direkt beobachtet, obwohl die Vorhersagen ihrer Auswirkungen mit den Beobachtungen übereinstimmten. Es gibt eine Handvoll alternativer Theorien, wie z. B. Magnetospheric Eternally Collapsing Objects (MECOs), um diese Beobachtungen zu erklären, von denen die meisten die Raumzeit vermeiden Singularität im Zentrum des Schwarzen Lochs, aber die überwiegende Mehrheit der Physiker glaubt, dass die Erklärung des Schwarzen Lochs die wahrscheinlichste physikalische Darstellung dessen ist, was ist statt finden.

In den 1700er Jahren gab es einige, die vorschlugen, dass ein supermassives Objekt Licht hineinziehen könnte. Die Newtonsche Optik war eine korpuskuläre Lichttheorie, die Licht als Teilchen behandelte.

John Michell veröffentlichte 1784 eine Veröffentlichung, in der vorausgesagt wurde, dass ein Objekt mit einem Radius von 500 mal dem der Sonne (aber der gleichen Dichte) eine Fluchtgeschwindigkeit von haben würde die Lichtgeschwindigkeit an seiner Oberfläche und somit unsichtbar sein. Das Interesse an der Theorie starb jedoch in den 1900er Jahren, als die Wellentheorie des Lichts an Bedeutung gewann.

Wenn diese theoretischen Einheiten in der modernen Physik selten erwähnt werden, werden sie als "dunkle Sterne" bezeichnet, um sie von echten Schwarzen Löchern zu unterscheiden.

Innerhalb weniger Monate nach Einsteins Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1916 erarbeitete der Physiker Karl Schwartzchild eine Lösung für Einsteins Gleichung für eine sphärische Masse (genannt Schwartzchild Metrik)... mit unerwarteten Ergebnissen.

Der Ausdruck, der den Radius ausdrückt, hatte ein störendes Merkmal. Es schien, dass für einen bestimmten Radius der Nenner des Terms Null werden würde, was dazu führen würde, dass der Term mathematisch "explodiert". Dieser Radius, bekannt als Schwartzchild Radius, r_s, ist definiert als:

r_s = 2 GM/ c²

G ist die Gravitationskonstante, M. ist die Masse und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Da sich Schwartzchilds Arbeit als entscheidend für das Verständnis der Schwarzen Löcher erwies, ist es ein seltsamer Zufall, dass der Name Schwartzchild "schwarzer Schild" bedeutet.

Ein Objekt, dessen gesamte Masse M. liegt in r_s wird als schwarzes Loch angesehen. Ereignishorizont ist der Name, der gegeben wird r_sdenn aus diesem Radius ist die Fluchtgeschwindigkeit aus der Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Lichtgeschwindigkeit. Schwarze Löcher Masse durch Gravitationskräfte anziehen, aber keine dieser Massen kann jemals entkommen.

Ein Schwarzes Loch wird oft damit erklärt, dass ein Objekt oder eine Masse in es "hineinfällt".

Y sieht zu, wie X in ein Schwarzes Loch fällt

• Y beobachtet, wie idealisierte Uhren auf X langsamer werden und rechtzeitig einfrieren, wenn X trifft r_s
• Y beobachtet das Licht von X Rotverschiebung und erreicht unendlich bei r_s (so wird X unsichtbar - aber irgendwie können wir immer noch ihre Uhren sehen. Ist nicht theoretische Physik großartig?)
• X nimmt theoretisch eine spürbare Veränderung wahr, wenn sie sich einmal kreuzt r_s Es ist unmöglich, jemals der Schwerkraft des Schwarzen Lochs zu entkommen. (Auch Licht kann dem Ereignishorizont nicht entkommen.)

In den 1920er Jahren folgerten die Physiker Subrahmanyan Chandrasekhar, dass jeder Stern massereicher als 1,44 Sonnenmassen ist (die Chadrasekhar-Grenze) muss unter allgemeiner Relativitätstheorie zusammenbrechen. Der Physiker Arthur Eddington glaubte, dass ein Eigentum den Zusammenbruch verhindern würde. Beide hatten auf ihre Weise Recht.

Robert Oppenheimer 1939 wurde vorausgesagt, dass ein supermassiver Stern zusammenbrechen und so einen "gefrorenen Stern" in der Natur und nicht nur in der Mathematik bilden könnte. Der Zusammenbruch scheint sich zu verlangsamen und an dem Punkt, an dem er überquert wird, tatsächlich rechtzeitig einzufrieren r_s. Das Licht des Sterns würde ein schweres erfahren Rotverschiebung beim r_s.

Leider betrachteten viele Physiker dies nur als ein Merkmal der hochsymmetrischen Natur der Schwartzchild-Metrik, die glaubt, dass ein solcher Zusammenbruch in der Natur aufgrund von tatsächlich nicht stattfinden würde Asymmetrien.

Es war nicht bis 1967 - fast 50 Jahre nach der Entdeckung von r_s - dass Physiker Stephen Hawking und Roger Penrose zeigte, dass Schwarze Löcher nicht nur ein direktes Ergebnis der allgemeinen Relativitätstheorie waren, sondern auch, dass es keine Möglichkeit gab, einen solchen Zusammenbruch aufzuhalten. Die Entdeckung von Pulsaren stützte diese Theorie und kurz darauf prägte der Physiker John Wheeler in einem Vortrag vom 29. Dezember 1967 den Begriff "Schwarzes Loch" für das Phänomen.

Nachfolgende Arbeiten umfassten die Entdeckung von Hawking Strahlung, in denen Schwarze Löcher Strahlung emittieren können.

Schwarze Löcher sind ein Feld, das Theoretiker und Experimentatoren anzieht, die eine Herausforderung suchen. Heute besteht fast überall Einigkeit darüber, dass Schwarze Löcher existieren, obwohl ihre genaue Natur immer noch in Frage steht. Einige glauben, dass das Material, das in schwarze Löcher fällt, irgendwo anders im Universum wieder auftauchen könnte, wie im Fall von a Wurmloch.

Eine bedeutende Ergänzung zur Theorie der Schwarzen Löcher ist die von Hawking Strahlung, entwickelt vom britischen Physiker Stephen Hawking im Jahr 1974.