מהו חור שחור? מה אופק האירוע?

שאלה: מה זה חור שחור?

מה זה חור שחור? מתי נוצרים חורים שחורים? האם מדענים יכולים לראות חור שחור? מהו "אופק האירועים" של חור שחור?

תשובה: חור שחור הוא ישות תיאורטית שמנבאת על ידי המשוואות של תורת היחסות הכללית. חור שחור נוצר כאשר כוכב בעל מסה מספקת עובר התמוטטות כבידה, עם רוב המסה או כולה דחוס לאזור שטח קטן מספיק וגורם עקמומיות אינסופית בחלל באותה נקודה (א "ייחודיות"). עקמומיות כה גדולה של חלל אינה מאפשרת לשום דבר, אפילו לא אור, לברוח מאופק האירועים או הגבול.

חורים שחורים מעולם לא נצפו באופן ישיר, אם כי תחזיות להשפעותיהם תואמות תצפיות. קיימים קומץ תיאוריות חלופיות, כמו למשל אובייקטים מגנטיים כדוריים מתכווצים (MECOs), כדי להסביר את התצפיות הללו, שרובן נמנעות מהחלל הייחודיות במרכז החור השחור, אך הרוב המכריע של הפיזיקאים סבורים כי ההסבר לחור השחור הוא הייצוג הפיזי הסביר ביותר של מה שהוא מתרחש.

בשנות ה- 1700 של המאה העשרים היו שהציעו שאובייקט על-מסיבי עשוי למשוך אליו אור. האופטיקה הניוטונית הייתה תיאוריה עקרונית של אור, והתייחסה לאור כאל חלקיקים.

ג'ון מישל פרסם מאמר בשנת 1784 וחזה כי לאובייקט עם רדיוס פי 500 מזה של השמש (אך אותה צפיפות) תהיה מהירות מילוט של

כאשר כמעט ולא מתייחסים אליו בפיזיקה המודרנית, ישויות תיאורטיות אלה מכונות "כוכבים כהים" כדי להבדיל ביניהן ובין חורים שחורים אמיתיים.

בתוך חודשים לאחר פרסום איינשטיין את תורת היחסות הכללית בשנת 1916, הפיזיקאי קארל שוורצצ'לד ייצר פיתרון למשוואתו של איינשטיין למסה כדורית (המכונה " מדד שוורצצילד)... עם תוצאות לא צפויות.

למונח המביע את הרדיוס הייתה תכונה מטרידה. נראה שעבור רדיוס מסוים המכנה של המונח יהפוך לאפס, מה שיגרום למונח "לפוצץ" מתמטית. רדיוס זה, המכונה רדיוס שוורצצילד, r_s, זה מוגדר כ:

r_s = 2 GM/ ג²

ז הוא קבוע הכבידה, M הוא המסה, ו ג היא מהירות האור.

מכיוון שעבודתו של שוורצצ'ילד הוכיחה חשיבות מכרעת להבנת חורים שחורים, זה צירוף מקרים מוזר שהשם שוורצצילד מתרגם ל"מגן שחור ".

חפץ שכל המסה שלו M מונח בתוך r_s נחשב לחור שחור. אופק אירועים הוא השם שניתן r_sמכיוון שמרדיוס זה מהירות המילוט מכובד החור השחור היא מהירות האור. חורים שחורים למשוך מסה דרך כוחות הכבידה, אך אף אחת מאותן מסה לא תוכל לברוח מעולם.

חור שחור מוסבר לרוב במונחים של חפץ או מסה "הנופלים" אליו.

Y Watches X נופלים לתוך חור שחור

• Y מתבונן בשעונים אידיאליסטיים ב- X המאטים, קופאים בזמן כאשר X פוגע r_s
• Y צופה באור מההיסטור האדום של X, מגיע לאינסוף בשעה r_s (כך X הופך לבלתי נראה - ובכל זאת איכשהו אנו עדיין יכולים לראות את שעוניהם. לא פיזיקה תיאורטית גרנד?)
• X מבחין בשינוי מורגש, בתיאוריה, אם כי ברגע שהוא חוצה r_s אי אפשר לה לברוח אי פעם מכובד החור השחור. (אפילו אור אינו יכול להימלט מאופק האירועים.)

בשנות העשרים של המאה העשרים, הסיקו הפיזיקאים סובראחמניאן צ'נדרסקהאר כי כל כוכב מסיבי יותר מ- 1.44 מסות שמש ( גבול Chadrasekhar) חייבים לקרוס תחת תורת היחסות הכללית. הפיזיקאי ארתור אדינגטון האמין כי רכוש כלשהו ימנע את הקריסה. שניהם צדקו, בדרכם שלהם.

רוברט אופנהיימר בשנת 1939 ניבא שכוכב על-מסיבי יכול לקרוס, ובכך ליצור "כוכב קפוא" בטבע, ולא רק במתמטיקה. נראה כי ההתמוטטות מאטה, למעשה קופא בזמן בנקודה שהיא חוצה r_s. האור מהכוכב יחווה כבד משמרת אדומה בשעה r_s.

לרוע המזל, פיסיקאים רבים ראו בכך רק תכונה לאופי הסימטרי ביותר של ה מדד שוורצצילד, מתוך אמונה שבטבע קריסה כזו לא תתרחש בפועל בגלל א-סימטריות.

זה היה רק ​​בשנת 1967 - כמעט 50 שנה לאחר הגילוי של r_s - כי פיזיקאים סטיבן הוקינג ורוג'ר פנרוז הראה שלא רק שחורים שחורים הם תוצאה ישירה של תורת היחסות הכללית, אלא גם כי אין דרך לעצור קריסה כזו. גילוי פולסרים תמך בתיאוריה זו, וזמן קצר לאחר מכן טבע הפיזיקאי ג'ון ווילר את המונח "חור שחור" לתופעה בהרצאה שנערכה ב- 29 בדצמבר 1967.

עבודות שלאחר מכן כללו גילוי של קרינת הוקינג, בהם חורים שחורים יכולים לפלוט קרינה.

חורים שחורים הם תחום שמושך תיאורטיקנים ונסיינים שרוצים אתגר. כיום קיימת הסכמה כמעט אוניברסלית שקיימת חורים שחורים, אם כי טבעם המדויק עדיין בסימן שאלה. יש הסבורים כי החומר הנופל לחורים שחורים עשוי להופיע שוב במקום אחר ביקום, כמו במקרה של א חור תולעת.

תוספת משמעותית אחת לתיאוריה של חורים שחורים היא זו של קרינת הוקינג, שפותח על ידי פיזיקאי בריטי סטיבן הוקינג בשנת 1974.