Was ist ein Schwarzes Loch?

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 der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wird. Ein Schwarzes Loch entsteht, wenn ein Stern mit ausreichender Masse einem Gravitationskollaps unterliegt, wobei der größte Teil oder die gesamte Masse in einem ausreichend kleinen Raumbereich komprimiert wird, was zu einer unendlichen Raumzeitkrümmung an diesem Punkt führt (eine "Singularität"). Solch eine massive Raumzeitkrümmung lässt nichts, nicht einmal Licht, aus dem "Ereignishorizont" oder der Grenze entweichen.

Schwarze Löcher wurden nie direkt beobachtet, obwohl Vorhersagen über ihre Auswirkungen mit den Beobachtungen übereinstimmten. Es gibt eine Handvoll alternativer Theorien, wie zum Beispiel magnetosphärische ewig kollabierende Objekte (Magnetospheric Eternally Collapsing Objects, MECOs), um diese Beobachtungen zu erklären, von denen die meisten die Singularität der Raumzeit im Zentrum des Schwarzen Lochs vermeiden, aber die überwiegende Mehrheit der Physiker glaubt, dass die Erklärung des Schwarzen Lochs ist die wahrscheinlichste physische Darstellung dessen, was stattfindet.

Schwarze Löcher vor der Relativitätstheorie

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

John Michell veröffentlichte 1784 einen Artikel, in dem er vorhersagte, dass ein Objekt mit dem 500-fachen Radius der Sonne (bei gleicher Dichte) eine Fluchtgeschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit an seiner Oberfläche haben und somit unsichtbar sein würde. Das Interesse an der Theorie starb jedoch in den 1900er Jahren, als die Wellentheorie des Lichts an Bedeutung gewann.

Wenn in der modernen Physik selten auf diese theoretischen Entitäten Bezug genommen wird, werden sie als "dunkle Sterne" bezeichnet, um sie von echten Schwarzen Löchern zu unterscheiden.

Schwarze Löcher aus der Relativität

Innerhalb weniger Monate nach Einsteins Veröffentlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1916 erarbeitete der Physiker Karl Schwartzchild eine Lösung für die Einsteinsche Gleichung für eine kugelförmige Masse (genannt Schwartzchild metrisch)… Mit unerwarteten Ergebnissen.

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

r_s = 2 GM/ c ²

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

Da Schwartzchilds Arbeit für das Verständnis von Schwarzen Löchern von entscheidender Bedeutung war, ist es ein seltsamer Zufall, dass der Name Schwartzchild mit "Schwarzer Schild" übersetzt wird.

Eigenschaften des Schwarzen Lochs

Ein Objekt, dessen gesamte Masse M liegt in r_s gilt als schwarzes Loch. Ereignishorizont ist der Name für r_s, denn ab diesem Radius ist die Fluchtgeschwindigkeit aus der Schwerkraft des Schwarzen Lochs die Lichtgeschwindigkeit. Schwarze Löcher ziehen Masse durch Gravitationskräfte ein, aber keine dieser Massen kann jemals entweichen.

Ein Schwarzes Loch wird oft mit einem Objekt oder einer Masse erklärt, die "hineinfällt".

Y sieht zu, wie X in ein Schwarzes Loch fällt

• Y beobachtet, wie sich idealisierte Uhren auf X verlangsamen und in der Zeit einfrieren, wenn X trifft r_s
• Y beobachtet Licht von der Rotverschiebung von X bis unendlich bei r_s (So ​​wird X unsichtbar - und doch können wir irgendwie immer noch ihre Uhren sehen. Ist die theoretische Physik nicht großartig?)
• X nimmt theoretisch eine wahrnehmbare Veränderung wahr, auch wenn sie sich einmal überschreitet r_s es ist unmöglich, jemals der Schwerkraft des Schwarzen Lochs zu entkommen. (Auch Licht kann dem Ereignishorizont nicht entkommen.)