Vad är ett svart hål?

Fråga: Vad är ett svart hål?

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

Svar: Ett svart hål är en teoretisk enhet som förutses av ekvationerna om allmän relativitet. Ett svart hål bildas när en stjärna med tillräcklig massa genomgår gravitationskollaps, med de flesta eller hela sin massa komprimerad till ett tillräckligt litet utrymme, vilket orsakar oändlig rymdtidskröning vid den punkten (en "singularitet"). 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, varav de flesta undviker rymdens singularitet i mitten av det svarta hålet, men den stora majoriteten av fysiker tror att svarthålets förklaring är den mest troliga fysiska representationen av vad som sker.

Svarta hål före relativitet

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 täthet) skulle ha en utrymningshastighet för ljusets hastighet vid dess yta och därmed vara osynlig. 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.

Svarta hål från relativitet

Inom månader efter Einsteins publicering av generell 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 av 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/ c ²

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."

Black Hole Properties

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 hålens tyngd ljusets hastighet. Svarta hål drar in massan 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.)