Fekete lyuk

Általában a relativitáselmélet, a fekete lyuk űrrégióként definiálják, amelynek gravitációs mezője olyan intenzív, hogy a belsejében semmi sem menekülhet kívül, még a fénybe sem. [1] A fekete lyuk kiszabadulásának sebessége gyorsabb, mint a fény sebessége, és mivel a fénysebesség leküzdhetetlen határ, egyetlen anyagrész vagy energia sem érheti el messze a régiót.

A "fekete lyuk" kifejezést John Archibald Wheeler fizikus találta ki; Korábban a "sötét csillagról" vagy a "fekete csillagról" beszélt. A "fekete" jelző abból ered, hogy nem bocsát ki fényt. Az a tény, hogy a részecskék befogása nem válhat újra megjelenéssé (még fotonok sem), az oka annak, hogy a "lyuk" létrejön.

A klasszikus fizikában egy olyan tömegű test lehetőségét, hogy a menekülési sebessége nagyobb legyen, mint a fény sebessége, a XVIII. Században fogalmazták meg, feltéve, hogy egy ilyen tárgy láthatatlan.

Relativisztikus szempontból viszont Karl Schwarzschild fizikus 1916-ban, csak egy évvel az általános relativitáselmélet publikálása után fogalmazta meg a fekete lyuk koncepcióját. A relativitáselméletben a gravitációs mezőt egy nagyon hatalmas tárgy által okozott tér-idő deformációnak nevezik, és a fénysebesség állandó határérték [akkor? homályos]. Az elmélet egyenleteinek néhány megoldását kutatva Schwarzschild kiszámította, hogy egy hipotetikusan nagy sűrűségű organizmus deformációt okozna a környezetében, így a tőle távol eső fény végtelen gravitációs vöröseltolódásban szenved. A Schwarzchild által megfogalmazott koncepció a tárgy sűrűségétől függ, absztrakt értelemben bármely olyan objektumra alkalmazható, amelynek térfogata a tömegéhez képest rendkívül kicsi - bár a valóságban nincsenek ismert eszközök arra, hogy egy tárgyat kis tömeggel, energiával biztosítsanak. szükséges, hogy a problémát egy ilyen pontra összpontosítsuk: az univerzum egyetlen ismert ereje, amely képes ilyen intenzitást kialakítani, a gravitációs erő az anyag nagy részének jelenlétében.

A zárt, geometrikus és tisztán képzeletbeli gömbfelület tartalmazza a szilárd tárgyat, és amely körülhatárolja a tér azon területét, amelyen túl ezeknek a feltételeknek "nincs visszatérése", eseményhorizontnak nevezzük. A tér közepén lévő, a gravitációs mezőt létrehozó szilárd tárgy esetében az anyag állapotát szingularitásként definiálják, azaz ismeretlen és idegen jellemzőkkel rendelkeznek a kvantummechanika törvényeivel, amelyek leírják az anyag viselkedését a világegyetemben, és feltételezzük, hogy annak sűrűsége végtelen lehet.

Az ilyen tulajdonságú égitestet nem lehet közvetlenül megfigyelni. Jelenléte csak közvetetten detektálható, a környező anyagra gyakorolt hatások detektálásával, például gravitációs kölcsönhatásokkal más égitestekkel, vagy az ott kicsapódó anyagra gyakorolt hatásokkal, vagy a gravitációs lencse jelenségével. A fekete lyukak megléte ma már igazolt, azonosítottak ilyen típusú, nagyon változó tömegű objektumokat, legalább 5 naptömegből, galaktikus léptékben detektálható fekete lyukak, amelyek tömege megegyezik egymilliárd naptömeggel. Számos megfigyelés gyűlt össze, amelyek szerint az asztrofizika (bár nem egyedülállóan) értelmezhető az univerzumban található fekete lyukak - különféle jelenségek, például aktív galaxisok vagy röntgen binárisok - tényleges létezésének nyomaként. .

Azokat az elemeket, amelyek gravitációs terei túl erősek ahhoz, hogy a fény elmeneküljön, John Michell és Pierre-Simon Laplace fogalmazták meg a XVIII. Az általános relativitáselmélet első modern megoldását, amely egy fekete lyukat jellemezne, Karl Schwarzschild találta meg 1916-ban, bár viszonylagos teljesítményét egy olyan térbeli térségben, ahonnan semmi nem menekülhet el, David Finkelstein publikálta 1958-ban. matematikai kíváncsiságnak tekintve az 1960-as évekig nyúlik vissza az az elméleti demonstráció, hogy a fekete lyukak az általános relativitáselmélet általános jóslata. A neutroncsillagok következő felfedezése felkeltette az érdeklődést a kompakt tárgyak iránt, amelyek gravitációs erejük, mint lehetséges asztrofizikai valóság miatt összeomlottak.

Történelmi

Mivel a Newton-féle gravitációs elméletben a menekülési sebesség függ a súlytartomány mozgó testtömegétől és a csillagmozgásoktól, amelyek jelen vannak abban a galaxisban, amelynél a fekete lyuk található, 1783 óta John Michell angol tudós Henrynek írt levelében javasolta Cavendish (később megjelent a Royal Society nyilatkozataiban) [2], miszerint az égitestből való menekülés sebessége nagyobb lehet, mint a fény sebessége, aminek eredményeként az úgynevezett "sötét csillag" (sötét csillag) lesz. 1795-ben Pierre-Simon de Laplace értekezésének első kiadásában beszámolt erről az ötletről. .

Általános relativitáselmélet

1915-ben Albert Einstein kidolgozta az általános relativitáselméletét, korábban bebizonyítva, hogy a gravitációs erő befolyásolja a fényt. Csak néhány hónappal később, Karl Schwarzschild talált megoldást Einstein mezőegyenleteire, leírva egy anyagi pont és egy gömbtömeg gravitációs mezőjét. Néhány hónappal később Schwarzschild meghalt, és Johannes Droste, az Independent Hendrik Lorentz tanítványa ugyanezt a megoldást adta, elmélyítve vagyonát. Ez a megoldás különös hatással volt az úgynevezett Schwarzschild-sugárra, amely szingularitássá vált, abban az értelemben, hogy Einstein néhány egyenlete végtelen lett. Ennek a területnek a természete akkor még nem volt teljesen ismert. 1924-ben Arthur Eddington kimutatta, hogy a szingularitás már nem a koordináták változása (lásd Eddington-Finkelstein koordinátái), de Georges Lemaître csak 1933-ban jött rá, hogy a Schwarzschild-sugár szingularitás nem fizikai koordináta-szingularitás. . [3]

Nem sokkal Albert Einstein általános relativitás-megfogalmazása után bebizonyosodott, hogy Einstein egyenleteinek megoldása (anyag hiányában), amely statikus gravitációs mezőt és gömbszimmetriát képvisel (Karl Schwarzschild megoldása, amely szimmetrikusan felel meg a newtoni gravitáció középső gravitációs mezőjének), magában foglalja ideális határ, amelyet események horizontjának nevezünk, azzal jellemezve, hogy azon túl bármi, amit a gravitációs mező vonz, nem lesz képes visszatérni. Mivel a fény valójában nem lépi át az események horizontját belülről kifelé, a láthatáron lévő régió minden tekintetben fekete lyukként viselkedik.

Mivel a Schwarzschild-megoldás a gravitációs mezőt vákuumban írja le, pontosan képviseli a gravitációs mezőt a tömegeloszláson kívül, gömbszimmetriával: fekete lyukat elméletileg csak akkor hozhat létre egy hatalmas égitest, ha annak sűrűsége olyan, hogy teljes egészében az esemény horizontjában legyen (ha, vagyis az égitest sugara kisebb lenne, mint a teljes tömegének megfelelő Schwarzschild sugár). Ekkor felmerül a kérdés, hogy az adott anyageloszlás gravitációs összeomlása eredményeként elérhető-e ekkora sűrűség. Ugyanaz az Einstein (akire a Schwarzschild által megoldásában talált „szingularitás” veszélyes inkonzisztenciaként jelent meg az általános relativitáselméletben) egy 1939-es cikkben megvitatta ezt a pontot, és arra a következtetésre jutott, hogy az anyagrészecskék hasonló sűrűségének elérése érdekében meghaladja a fénysebességet, szemben a korlátozott relativitáselmélettel:

Valójában Einstein arra a feltételezésre alapozta a számításokat, hogy a testek a rendszer tömegközéppontja körül keringve keringtek, de ugyanebben az évben Robert Oppenheimer és H. Snyder [10] kimutatták, hogy a részecskék összeomlásakor a kritikus sűrűség elérhető. sugárirányú. Ezt követően A. Raychaudhuri indiai fizikus megmutatta, hogy az a helyzet, amelyet Einstein fizikailag megvalósíthatatlannak tart, valójában tökéletesen összeegyeztethető az általános relativitáselmélettel:

Más szavakkal, az eseményhorizont nem valós tér-idő szingularitás (a Schwarzschild-megoldásban az egyetlen valódi geometriai szingularitás a koordináták kezdőpontjára kerül), de mégis megvan a fizikai jellemzője, hogy csak „kívülről” lehet bejárni. Ezeknek az elméleti megfontolásoknak megfelelően számos asztrofizikai megfigyelést követtek a fekete lyukak jelenlétében, amelyek vonzzák a környező anyagot. [12] Egyes modellek szerint előfordulhatnak szingularitások nélküli fekete lyukak, a neutroncsillag sűrűbb mezője miatt, de nem egészen a szingularitás generálásáig.

A jelenleg megfontolt elméletek szerint fekete lyukat csak egy csillag képezhet, amelynek tömege a Nap tömege körülbelül 2,5-szerese, a Tolman-Oppenheimer-Volkoff határ miatt, bár a különféle folyamatok miatt a veszteség a csillagok által életük végén elszenvedett tömegnek olyannak kell lennie, hogy az eredeti csillag legalább tízszer nagyobb tömegű, mint a nap. az idézett ábrák csak tájékoztató jellegűek, mivel függnek a „csillag evolúciójának előrejelzéséhez használt modellek részleteitől és különösen a csillag keletkezését okozó gázfelhő kezdeti kémiai összetételétől. Nem kizárt, hogy a fekete lyuknak csillagszerű eredete lehet, ezt példázzák az úgynevezett ősi fekete lyukak. .

Tulajdonságok és felépítés

Az asztrofizikában esszencializációs tétel [13] (angolul a hajtétel nélkül) azt feltételezi, hogy az Einstein-Maxwell-egyenletek összes fekete lyuk-megoldása és az általános relativitáselméletben az elektromágnesesség gravitációja teljes egészében csak három klasszikus, kívülről megfigyelhető paraméterrel jellemezhető: tömeg, töltés elektromos és szögimpulzus [14]. Minden más információ arról az anyagról, amelyből fekete lyukat alakított ki, vagy az eső "eltűnik" a horizontja mögött, ezért a külső megfigyelők számára állandóan hozzáférhetetlen (lásd még a paradox lyukkal kapcsolatos információkat is) fekete). Két, ugyanazokkal a tulajdonságokkal vagy paraméterekkel rendelkező fekete lyuk nem különböztethető meg a klasszikus mechanika szerint.

Ezek a tulajdonságok azért különlegesek, mert a fekete lyuk kívülről láthatók. Például egy fekete rakodólyuk elutasít egy másikat ugyanolyan terheléssel, mint bármely más betöltött tárgy. Ezenkívül a fekete lyukat tartalmazó gömb teljes tömege megtalálható a fekete lyuktól távol eső Gauss-törvény gravitációs analógjának, az ADM-tömegnek a felhasználásával. [15] Hasonlóképpen, a szögimpulzus kívülről is mérhető a gravitomagnetikus mező vontatási hatásával. .

Amikor egy tárgy fekete lyukba esik, a tárgy alakjára vagy a rá eső terhelés eloszlására vonatkozó minden információ egyenletesen oszlik el a fekete lyuk horizontján, és visszavonhatatlanul elveszik a külső megfigyelő számára. A horizont viselkedése ebben a helyzetben disszipatív rendszer, amely szinte analóg a súrlódással és elektromos ellenállással rendelkező vezetőképes rugalmas membránéval - a membrán paradigmája. [16] Ez a feltételezés különbözik a többi mezőelmélettől, például az elektromágnesességtől, amelynek nincs mikroszkopikus súrlódása vagy ellenállása, mert idővel reverzibilisek. Mivel a fekete lyuk végül csak három paraméter mellett éri el a stabilitást, nincs mód arra, hogy elkerüljük az információk elvesztését a kezdeti állapotokról: a fekete lyuk gravitációs és elektromos tere nagyon kevés információt szolgáltat a leszívottakról.

Az elveszett információk tartalmaznak minden olyan mennyiséget, amely nem mérhető távol a fekete lyuk horizontjától, beleértve a megközelítőleg konzervált kvantumszámokat, például a baronok és a leptonok teljes számát. Ez a viselkedés annyira zavaró, hogy a fekete lyuk információinak paradoxonának nevezték. [17] [18]

Fizikai tulajdonságok

egy fekete fekete lyukhoz M. Ezt az egyenlőtlenséget kielégítő fekete lyukakat szélsőségeknek nevezzük. Vannak olyan megoldások Einstein egyenleteire, amelyek megsértik ezt az egyenlőtlenséget, de nem rendelkeznek az események horizontjával. Ezek a megoldások az úgynevezett akt szingularitások, amelyek kívülről is láthatók, ezért nem fizikainak tekinthetők. A kozmikus cenzúra hipotézise kizárja az ilyen szingularitások kialakulását, ha azokat a reális anyag gravitációs összeomlása hozza létre. [23] Ezt a hipotézist numerikus szimulációk támasztják alá. [24] A viszonylag nagy elektromágneses erő miatt a csillag összeomlásával keletkező fekete lyukak várhatóan szinte semlegesek a csillag töltésüket. Az elforgatásnak azonban a kompakt objektumok közös jellemzőjének kell lennie. Úgy tűnik, hogy a GRS 1915 105 [25] fekete röntgensugár szöge a legnagyobb megengedett érték közelében van.

A fekete lyukakat általában tömegük szerint osztályozzák, tekintet nélkül a J szögimpulzusra vagy a Q elektromos töltésre. A fekete lyuk mérete, amelyet az eseményhorizont vagy a Schwarzschild sugár határoz meg, hozzávetőlegesen arányos az M tömeggel

ahol r sh a Schwarzschild sugár, és M Sun a nap tömege. [26] Ez az arány csak a nulla töltésű és kinetikus nyomatékkal rendelkező fekete lyukak esetében helyes, míg az általánosabb fekete lyukak 2-szeresig változhatnak.