Wat is een zwart gat? Wat is de evenementhorizon?

Vraag: Wat is een zwart gat?

Wat is een zwart gat? Wanneer ontstaan ​​zwarte gaten? Kunnen wetenschappers een zwart gat zien? Wat is de "event horizon" van een zwart gat?

Antwoord: Een zwart gat is een theoretische entiteit voorspeld door de vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie. Een zwart gat wordt gevormd wanneer een ster met voldoende massa een zwaartekrachtinstorting ondergaat, met de meeste of de volledige massa gecomprimeerd in een voldoende kleine ruimte, waardoor op dat moment een oneindige ruimtetijdkromming ontstaat (a "singulariteit"). Zo'n enorme ruimtetijdkromming laat niets, zelfs geen licht, ontsnappen uit de 'event horizon' of grens.

Zwarte gaten zijn nooit rechtstreeks waargenomen, hoewel voorspellingen van hun effecten overeenkomen met waarnemingen. Er bestaan ​​een handvol alternatieve theorieën, zoals Magnetospheric Eternally Collapsing Objects (MECO's), om deze observaties te verklaren, waarvan de meeste de ruimtetijd vermijden singulariteit in het midden van het zwarte gat, maar de overgrote meerderheid van fysici geloven dat de verklaring van het zwarte gat de meest waarschijnlijke fysieke weergave is van wat plaatsvinden.

In de jaren 1700 waren er sommigen die stelden dat een supermassief object er licht in zou kunnen trekken. Newtoniaanse optica was een corpusculaire lichttheorie, waarbij licht als deeltjes werd behandeld.

John Michell publiceerde in 1784 een paper waarin hij voorspelde dat een object met een straal van 500 keer die van de zon (maar dezelfde dichtheid) een ontsnappingssnelheid zou hebben van de snelheid van het licht aan het oppervlak, en dus onzichtbaar zijn. De belangstelling voor de theorie stierf echter in de jaren 1900, toen de golftheorie van het licht prominent werd.

Wanneer zelden wordt verwezen in de moderne fysica, worden deze theoretische entiteiten aangeduid als "donkere sterren" om ze te onderscheiden van echte zwarte gaten.

Binnen maanden na Einsteins publicatie van algemene relativiteitstheorie in 1916, produceerde de fysicus Karl Schwartzchild een oplossing voor de vergelijking van Einstein voor een sferische massa (de zogenaamde Schwartzchild metrisch)... met onverwachte resultaten.

De term die de straal uitdrukte had een verontrustend kenmerk. Het leek erop dat voor een bepaalde straal de noemer van de term nul zou worden, waardoor de term wiskundig zou "opblazen". Deze straal, bekend als de Radius van Schwartzchild, r_s, is gedefinieerd als:

r_s = 2 GM/ c²

G is de zwaartekrachtconstante, M is de massa, en c is de snelheid van het licht.

Aangezien het werk van Schwartzchild cruciaal bleek voor het begrijpen van zwarte gaten, is het een vreemd toeval dat de naam Schwartzchild zich vertaalt naar "zwart schild".

Een object waarvan de hele massa M ligt in r_s wordt beschouwd als een zwart gat. Evenement horizon is de naam gegeven aan r_s, want vanuit die straal is de ontsnappingssnelheid van de zwaartekracht van het zwarte gat de snelheid van het licht. Zwarte gaten trekt massa binnen door zwaartekrachten, maar niets van die massa kan ooit ontsnappen.

Een zwart gat wordt vaak uitgelegd in termen van een object of massa die erin "valt".

Y horloges X vallen in een zwart gat

• Y observeert geïdealiseerde klokken op X die vertragen, bevriezen in de tijd wanneer X toeslaat r_s
• Y neemt licht waar van X roodverschuiving en bereikt oneindig bij r_s (dus X wordt onzichtbaar - maar toch kunnen we hun klokken nog steeds zien. Is het niet theoretische fysica groots?)
• X neemt in theorie merkbare verandering waar, hoewel het eenmaal kruist r_s het is onmogelijk om ooit te ontsnappen aan de zwaartekracht van het zwarte gat. (Zelfs licht kan niet ontsnappen aan de horizon van de gebeurtenis.)

In de jaren 1920 concludeerden natuurkundigen Subrahmanyan Chandrasekhar dat elke ster die zwaarder is dan 1,44 zonne-massa's (de Chadrasekhar-limiet) moet instorten onder algemene relativiteitstheorie. Natuurkundige Arthur Eddington geloofde dat sommige eigendommen de instorting zouden voorkomen. Beiden hadden op hun manier gelijk.

Robert Oppenheimer voorspelde in 1939 dat een superzware ster zou kunnen instorten, waardoor een "bevroren ster" in de natuur wordt gevormd, in plaats van alleen in de wiskunde. De ineenstorting lijkt te vertragen, en bevriest zelfs in de tijd op het punt dat het kruist r_s. Het licht van de ster zou zwaar worden roodverschuiving Bij r_s.

Helaas beschouwden veel natuurkundigen dit alleen als een kenmerk van de zeer symmetrische aard van de Schwartzchild metriek, gelovend dat in de natuur zo'n instorting niet zou plaatsvinden vanwege asymmetrieën.

Het was pas in 1967 - bijna 50 jaar na de ontdekking van r_s - die natuurkundigen Stephen Hawking en Roger Penrose toonde aan dat zwarte gaten niet alleen een direct gevolg waren van algemene relativiteitstheorie, maar ook dat er geen manier was om zo'n instorting te stoppen. De ontdekking van pulsars ondersteunde deze theorie en kort daarna bedacht fysicus John Wheeler de term "zwart gat" voor het fenomeen in een lezing op 29 december 1967.

Daaropvolgend werk omvatte de ontdekking van Hawking straling, waarin zwarte gaten straling kunnen uitzenden.

Zwarte gaten zijn een veld dat theoretici en experimenteerders aantrekt die een uitdaging willen. Vandaag is er bijna universele overeenstemming dat zwarte gaten bestaan, hoewel hun exacte aard nog steeds in twijfel wordt getrokken. Sommigen geloven dat het materiaal dat in zwarte gaten valt ergens anders in het universum kan verschijnen, zoals in het geval van een wormgat.

Een belangrijke toevoeging aan de theorie van zwarte gaten is die van Hawking straling, ontwikkeld door Britse natuurkundige Stephen Hawking in 1974.