Crne rupe: Često Postavljena Pitanja

Source: http://cosmology.berkeley.edu/Education/BHfaq.html

Lista

Ted Bunn

Što je crna rupa?
———————

Labavo govoreći, crna rupa je područje prostora koji ima toliko masu koncentriran u tome da ne postoji način za predmet u blizini pobjeći svoju gravitaciju. Od naše najbolje teorije gravitacije u ovom trenutku je Ajnštajnova opšta teorija relativnosti, moramo da se udubi u neke rezultate ove teorije da shvati crne rupe u detalje, ali počnimo od sporog, razmišljanjem o težini pod prilično jednostavan okolnostima.
Pretpostavimo da stojite na površini planete. Možete baciti kamen ravno u zrak. Pod pretpostavkom da ga ne bacaju previše teško, to će rasti za neko vrijeme, ali na kraju je ubrzanje zbog gravitacije planete će se početi ponovo pasti. Ako ste bacili kamen dovoljno teško, ipak, mogao bi se u potpunosti pobjeći gravitacija planete. To bi dalje raste zauvijek. Brzina kojom morate baciti kamen u cilju da se jedva izmiče gravitacije planete se zove “brzina bijeg.” Kao što možete očekivati, brzina bijega zavisi od mase planete: ako je planeta veoma masivna, onda je njena gravitacija je vrlo jaka, a brzina bijeg je visoka. A lakši planeta će imati manju brzinu bijega. brzina bijega i zavisi od toga koliko daleko ste od centra planete: što ste bliže, to je veća brzina bijega. brzina pobjeći na Zemlji je 11,2 kilometara u sekundi (oko 25.000 m.p.h.), dok je Moon je samo 2,4 kilometara u sekundi (oko 5300 m.p.h.).

Sada zamislite objekt sa takvim ogromnim koncentracija mase u tako malom radijus da je njegova brzina bijega bila veća od brzine svjetlosti. Zatim, jer ništa ne može ići brže od svjetlosti, ništa ne može pobjeći gravitacionog polja objekta. Čak i zrak svetlosti bi se povukao gravitacijom i neće moći pobjeći.

Ideja o masene koncentracije tako gust da bi čak i svjetlo biti zarobljen ide skroz nazad u Laplace u 18. stoljeću. Gotovo odmah nakon Einstein razvio opšte relativnosti, Karl Schwarzschild je otkrio matematičko rješenje jednadžbi teorije koje je opisao takav objekat. Tek mnogo kasnije, uz rad, kao što ljudi Oppenheimer, Volkoff, i Snyder u 1930-ih, da su ljudi ozbiljno razmišljao o mogućnosti da takvi objekti mogli zapravo postoje u svemiru. (Da, to je ista Oppenheimer koji je vodio Manhattan projekta.) Ovi istraživači su pokazali da kada je dovoljno masivna zvijezda ponestane goriva, to nije u stanju da podrži sebe protiv vlastite gravitacija, i to bi trebalo pasti u crnu rupu.

U principu relativnosti, gravitacija je manifestacija zakrivljenosti prostorvremena. Massive objektima iskrivljuju prostor i vrijeme, tako da uobičajena pravila geometrije više ne primjenjuju. U blizini crne rupe, tu distorziju prostora je izuzetno teška i izaziva crne rupe da ima neke vrlo čudne osobine. Konkretno, crna rupa je nešto što se zove “Event Horizon”. Ovo je sferna površina koja označava granice crne rupe. Možete proći kroz horizont, ali ne možete da se vratim. U stvari, kada ste prešli horizont, vi osuđeni na kretanje neumoljivo bliže i bliže “singularitet” u središtu crne rupe.

Možete misliti na horizontu kao mjesto gdje je brzina bijega jednaka brzini svjetlosti. Izvan horizonta, brzina bijeg je manje od brzine svjetlosti, tako da ako pucate rakete dovoljno teško, možete sami dati dovoljno energije da se izvuku. Ali, ako se nađete unutar horizonta, onda bez obzira na to koliko je moćan vaše rakete su, ne možete pobjeći.

Horizont ima neke vrlo čudne geometrijskih svojstava. Da posmatrač koji je sjedio i dalje negdje daleko od crne rupe, horizont izgleda lijepo, statički, nepokretan sferne površine. Ali kada se u neposrednoj blizini horizonta, shvatite da ima vrlo veliku brzinu. U stvari, ona se kreće prema van brzinom svjetlosti! To objašnjava zašto je lako prijeći horizont u unutra pravcu, ali je nemoguće da se vratim. S obzirom na horizontu se kreće od brzinom svjetlosti, kako bi se pobjeći natrag preko njega, morali biste putovati brže od svjetlosti. Ne možete ići brže od svjetlosti, i tako da ne možete pobjeći od crne rupe.

(Ako je sve ovo zvuči vrlo čudno, ne brini. To je čudno. Horizont je u određenom smislu sjedi i dalje, ali u drugom smislu ona leti van brzinom svjetlosti. To je pomalo kao Alisa u zemlji “Kroz the Looking-Glass “: ona mora da radi brzo kao ona može samo da ostanu na jednom mjestu).

Jednom kada ste unutar horizonta, prostorvreme izobličen toliko da koordinata opisuje radijalne udaljenosti i vremenski prekidač uloge. To je, “r”, koordinata koja opisuje kako daleko ste od centra grada, je timelike koordinata, a “t” je spacelike jedan. Jedna od posljedica toga je da ne možete sami zaustaviti od preseljenja u sve manje i manje vrijednosti r, baš kao pod uobičajenim okolnostima ne možete izbjeći kreće prema budućnosti (koja je, prema veće i veće vrijednosti od t). Na kraju, vi vezani pogoditi singularitet na r = 0. Možda ćete pokušati da ga treba izbegavati strijeljanjem vaše rakete, ali to je uzaludno: bez obzira kojem pravcu pokrenete, ne možete izbjeći svoju budućnost. Pokušavam da se izbjegne centru crne rupe kada ste prešli horizont je samo kao pokušaj da se izbegne idućeg četvrtka.

Inače, naziv “crna rupa” je izmislio John Archibald Wheeler, i čini se da je zaglavio jer je bilo mnogo catchier od prethodnih imena. Prije Wheeler došao, ovi objekti su često nazivaju ‘zamrznut zvijezde.’ Ja ću objasniti zašto ispod.

Koliki je crna rupa?
————————

Postoje barem dva različita načina da se opiše koliki je nešto. Možemo reći koliko mase ima, ili možemo reći koliko prostora zauzima. Prvo da porazgovaramo o masama crnih rupa.

Ne postoji ograničenje u principu koliko ili kako malo mase crne rupe može imati. Bilo koji iznos od mase na svim mogu u principu biti da formira crne rupe, ako komprimirati ga dovoljno visoke gustoće. Sumnjamo da je većina crne rupe koje su zapravo tamo su proizvedeni u smrt masivne zvijezde, i tako da očekujemo one crne rupe u težak koliko i masivna zvijezda. Tipična masa za takav zvjezdani crna rupa bi bila oko 10 puta veća od mase Sunca, ili oko 10 ^ {31} kilograma. (Ovdje sam koristeći naučne notacija: 10 ^ {31} znači 1 sa 31 nula nakon njega, ili 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.) Astronomi također sumnja da su mnoge galaksije gaje izuzetno masivne crne rupe u svojim centrima. Oni su mislili da teški oko milion puta koliko je Sunce, ili 10 ^ {36} kilograma.

Što više masivne crne rupe, više prostora zauzima. U stvari, Švarcšildov radijus (što znači radijus horizonta) i mase su direktno proporcionalni jedan drugom: ako crna rupa teži deset puta više nego drugi, svoj radijus je deset puta veći. Crna rupa s masom koja je jednaka Sunca imati radijus od 3 kilometra. Dakle, tipična 10-solarne mase crne rupe će imati radijus od 30 kilometara, i milion-solarne mase crne rupe u centru galaksije će imati radijus od 3 milijuna kilometara. Tri miliona kilometara možda zvuči kao mnogo, ali to je zapravo nije tako velika po astronomskim standardima. Sunce, na primjer, ima radijus od oko 700.000 kilometara, i tako da supermasivne crne rupe ima radijus od oko četiri puta veći od Sunca.

Šta bi se desilo da mi je ako sam pao u crnu rupu?
————————————————–

Pretpostavimo da ste dobili u svoj svemirski brod i ukazuju ga ravno prema miliona solarne mase crne rupe u centru naše galaksije. (Zapravo, ima nekih rasprava o tome da li našoj galaksiji sadrži centralni crnu rupu, ali pretpostavimo da radi za sada.) Polazeći od daleko od crne rupe, samo isključite rakete i obale u. Što se događa?

U početku, ne osjećaju gravitacione sile na sve. S obzirom da ste u slobodnom padu, svaki dio svog tijela i svoj svemirski brod se izvukao na isti način, i tako se osjećate bestežinsko. (To je potpuno ista stvar koja se događa da astronauti u Zemljinoj orbiti:. Iako i astronauti i space shuttle se povučen Zemljine gravitacije, oni ne osjećaju nikakve gravitacijska sila, jer sve se izvukao na isti način) kao što se bliže i bliže centru rupe, ipak, počnu da se osjećaju “plime” gravitacione sile. Zamislite da su vam stopala bliže centru nego glavu. Gravitacija postaje jači kao što se bliže centru rupe, tako da noge osjećati jači pull nego glavu radi. Kao rezultat se osjećate “pod pritiskom.” (Ova sila se zove plime sila jer je baš kao i snage koje izazivaju plime na Zemlji.) Ove plime snage više i intenzivnije kao što se bliže centru, i na kraju oni će vam parati apart.

Za vrlo velike crne rupe poput onog padaš u, plime snage nisu baš uočljive dok ne dođete u roku od oko 600.000 kilometara centra. Imajte na umu da je ovo nakon što ste prešli horizont. Ako su padale u manju crnu rupu, kaže jedan da teška koliko je Sunce, plimne sile će početi da vas prilično neugodno kad ste bili oko 6000 kilometara od centra grada, a vi bi se razdiru ih dugo prije nego što ste prešli horizont. (Zato smo odlučili da vam skočiti u veliku crnu rupu umjesto mali: želimo li preživjeti barem dok imaš unutra.)

Šta vidite kako ste se pada u? Iznenađujuće, ne nužno vidim ništa posebno zanimljivo. Slike dalekih objekata može biti izobličena u čudne načine, jer gravitacija crne rupe savija svjetlost, ali to je sve. Konkretno, ništa posebno događa u trenutku kada pređete horizont. Čak i nakon što ste prešli horizont, još uvijek možete vidjeti stvari na vanjskoj strani: na kraju krajeva, svjetlo od stvari na izvana i dalje može doći do vas. Niko na izvana možete vidjeti, naravno, jer svjetlo ne može pobjeći pored horizonta.

Koliko dugo traje cijeli proces trajati? Pa, naravno, to ovisi o tome kako daleko počnete od. Recimo da počnete na ostatak iz tačke čija udaljenost od singularnosti je deset puta radijus crne rupe. Zatim za milion-solarne mase crne rupe, to vas vodi oko 8 minuta da stigne do horizonta. Nakon što ste dobili tako daleko, to vas vodi još samo sedam sekundi pogoditi singularnost. Usput, ovaj put vage sa veličinom crne rupe, tako da ako bi skočio u manju crnu rupu, vaše vrijeme smrti bio bi to mnogo ranije.

Nakon što ste prešli horizont, u preostalih sedam sekundi, možda ćete paniku i početi na vatru vaše rakete u očajničkom pokušaju da izbjegne singularnost. Nažalost, to je beznadežno, jer je jedinstvenost leži u svoju budućnost, i ne postoji način da se izbegne svoju budućnost. U stvari, teže vi pucate rakete, što pre pogodio singularnost. To je najbolje samo da se zavalite i uživajte u vožnji.

Moj prijatelj Penelope sjedi i dalje na sigurnoj udaljenosti, gledao sam pao u crnu rupu. Ono što ona vidi?
——————————————————————-

Penelope vidi stvari sasvim drugačije od tebe. Kao što se bliže i bliže horizontu, vidi se krećete više i sporije. U stvari, bez obzira na to koliko dugo ona čeka, ona nikada neće sasvim vidimo se do horizonta.

U stvari, više ili manje isto se može reći o materijalu koji formira crna rupa na prvom mjestu. Pretpostavimo da je crna rupa formira od kolapsa zvijezda. Kako je materijal koji je formiranje crne rupe propadne, Penelope vidi da se sve manji i manji, približava ali nikad dosta donošenja Schwarzschild radijus. To je razlog zašto crne rupe su prvobitno zvao smrznuto zvezdica: zato što se čini da ‘zamrzavanje’ na veličinu tek nešto veći od Švarcšildov radijus.

Zašto ona vidi stvari na ovaj način? Najbolji način da razmislim o tome je da je to zapravo samo optička iluzija. To zapravo nije potrebno beskonačno vremena za crne rupe u obliku, a to zapravo ne uzme beskonačan iznos od vrijeme za vas da pređe horizont. (Ako mi ne vjerujete, samo probati skakanje u! Ti ćeš biti preko horizonta u osam minuta, i slomiti do smrti samo nekoliko sekundi kasnije.) Kao što se bliže i bliže horizontu, svetlo da si Emitting traje duže i duže da se popne nazad do Penelope. U stvari, zračenje ste emituju u pravu što pređete horizont će lebde tamo na horizontu zauvijek i nikada do nje. Vi ste odavno prošla kroz horizont, ali svjetlo signal da joj je rekla da joj neće posegnuti za beskrajno dugo.

Postoji još jedan način da se pogleda cijeli ovaj posao. Na neki način, vrijeme zaista prolazi sporije u blizini horizonta nego što je to daleko. Pretpostavimo da uzmete svoj svemirski brod i vozi do tačke samo izvan horizonta, i onda samo lebde neko vreme (spaljivanje ogromne količine goriva kako bi se od pada u). Onda leti nazad i pridružiti Penelope. Naći ćete da je ona u dobi mnogo više nego što tokom cijelog procesa; je vrijeme prolazilo sporije za tebe nego što je za nju.

Dakle, koji od ova dva objašnjenja (optičke iluzije jednom ili vrijeme-usporavanja jedan) je stvarno u pravu? Odgovor ovisi o tome koordinatnom sistemu koji koristite za opisivanje crne rupe. Prema uobičajenoj koordinatnom sistemu, pod nazivom “Švarcšildov koordinate,” pređete horizont kada vreme koordinata t je beskonačno. Dakle, u ovim koordinira zaista vas beskonačno vremena da pređe horizont. Ali, razlog za to je da Švarcšildov koordinate pružaju vrlo iskrivljena pogled na ono što se događa u blizini horizonta. U stvari, na samom horizontu koordinate su beskonačno iskrivljene (ili, da koriste standardne terminologije, “jednina”). Ako se odlučite da koristite koordinate koje nisu jednini u blizini horizonta, onda ćete naći da je vrijeme kada ste prešli horizont je zaista konačan, ali kada Penelope vidi pređete horizont je beskonačna. To je zračenje beskonačnu količinu vremena do nje. U stvari, iako, ti dozvoljeno koristiti ili koordinatni sistem, i tako oba objašnjenja vrijede. Oni su samo različiti načini da se kaže ista stvar.

U praksi, vi će zapravo postati nevidljiv Penelope prije previše vremena je prošlo. Za početak, svjetlo je “crvenim pomakom” na više talasnih dužina, jer raste daleko od crne rupe. Dakle, ako se emituju vidljivo svjetlo na neke određene valne duljine, Penelope će vidjeti svjetlo na neke duže valne duljine. Talasne dužine se duže i duže kao što se bliže i bliže horizontu. Na kraju, to neće biti vidljiv svjetlo na sve: to će biti infracrveno zračenje, zatim radio talasa. U jednom trenutku je talasne će biti tako dugo da će biti u mogućnosti da ih poštuju. Osim toga, zapamtite da svjetlost se emituje u pojedinačnim paketima zove fotona. Pretpostavimo da se emituju fotona kao padnete pored horizonta. U nekom trenutku, vi će davati svoj posljednji fotona prije nego što pređe horizont. To foton će dostići Penelope u nekom konačnom vremenu – obično manje od jednog sata za taj milion solarne mase crne rupe – i nakon toga nikada neće biti u stanju da te opet vidim. (Uostalom, ni jedan od fotona ste emituju * nakon * pređete horizont će ikada doći do nje.)

Ako postoji crna rupa, da li bi bilo bezveze se sve materije u svemiru?
—————————————————————

Heck, br. Crna rupa ima “horizont”, što znači da je regija iz koje se ne može pobjeći. Ako pređete horizont, ti osuđen na kraju pogodio singularnost. Ali, koliko god ostati izvan horizonta, možete izbjeći uzimajući usisan u. U stvari, nekome dobro izvan horizonta, gravitaciono polje koje okružuje crnu rupu se ne razlikuje od terena okolnih neki predmet iste mase . Drugim riječima, jedan-solarne mase crne rupe nije bolje od bilo koje druge jedne solarne mase objekata (kao što su, na primjer, Sunce) u “usisava” udaljenih objekata.

Šta ako je Sunce postalo crna rupa?
————————————

Pa, prvo, dozvolite mi da uvjeravam vas da je Sunce nema namjeru raditi takve stvari. Samo zvezde koje teže znatno više nego što je Sunce završava svoj život kao crne rupe. Sunce će otprilike ostati onako kako je za još pet milijardi godina. Tada će to proći kroz kratku fazu kao crveni gigant zvijezda, a za to vrijeme će se proširiti i na proguta planeta Merkur i Venera, i čine život prilično neugodno na Zemlji (okeanima ključanja, atmosfera bijeg, takve stvari). Nakon toga, Sunce će okončati svoj život postane dosadan beli patuljak. Da sam na tvom mjestu, ja bih se planira preseliti negdje daleko prije nego što sve ovo događa. Ja isto ne bih kupiti bilo koji od tih državnih obveznica 8 milijardi godina.

Ali ja digresiju. Šta ako Sunce * nije * postane crna rupa iz nekog razloga? Glavni efekat je da će dobiti vrlo tamno i vrlo hladno ovde. Zemlje i drugih planeta ne bi se usisan u crnu rupu; oni će držati na orbiti u isto staze prate sada. Zašto? Zbog horizontu ove crne rupe bi veoma mala – samo oko 3 kilometra – i kao što smo videli gore, sve dok i ostati izvan horizonta, gravitacija crne rupe nije jači od bilo koje druge predmeta istu masu.

Da li postoji bilo kakav dokaz da crne rupe postoje?
———————————————

Da. Ne možete vidjeti crnu rupu direktno, naravno, jer svjetlost ne može otarasiti horizontu. To znači da se moramo osloniti na indirektne dokaze da crne rupe postoje.

Pretpostavimo da ste pronašli region prostora gdje mislite da bi mogao biti crna rupa. Kako možete provjeriti da li postoji jedan ili ne? Prva stvar koju želite učiniti je izmjeriti koliko mase postoji u toj regiji. Ako ste pronašli veliku masu koncentriran u mali volumen, a ako je masa mraku, onda je to dobra pretpostavka da je crna rupa. Postoje dvije vrste sistema u kojem astronomi su pronašli takav kompaktan, masivna, tamno objekata: centara galaksija (uključujući možda vlastite Mlečnog puta), i X-ray-emitting binarni sistem u našoj galaksiji.

Prema nedavnom pregled po Kormendy i RICHSTONE (da se pojavi u izdanju “Godišnji Komentari astronomije i astrofizike” 1995), osam galaksija nije uočen sadrže takve masivne tamne objekte u svojim centrima. Mase jezgra ovih galaksija se kreću od milion do nekoliko milijardi puta veća od mase Sunca Masa se mjeri posmatranjem brzinom kojom zvijezde i plin orbiti oko centra galaksije: brže orbitalne brzine, jače gravitaciono potrebne za držanje zvijezde i gasa u njihovim orbitama snazi. (Ovo je najčešći način za mjerenje mase u astronomiji. Na primjer, mjerimo mase Sunca posmatranjem kako brzo planete kruže, a mjerimo količinu tamne materije u galaksije mjerenjem koliko brzo stvari orbitu na rubu galaksije.)

Smatra se da crne rupe za najmanje dva razloga su ove masivne tamne objekte u galaktičkom centrima. Prvo, teško je misliti na nešto drugo što bi moglo biti: oni su previše gusta i tamna da bude zvezdica ili klastera zvezda. Drugo, samo obećava teorija da objasne zagonetne objekte poznat kao kvazara i aktivne galaksije postulira da takve galaksije imaju supermasivne crne rupe u njihovim jezgra. Ako je ova teorija tačna, onda je veliki dio galaksija – sve one koji su sada ili nekada bio aktivan galaksije – mora imati supermasivne crne rupe u centru. Uzeti zajedno, ovi argumenti snažno ukazuju na to da je jezgra ovih galaksija sadrže crne rupe, ali oni ne predstavljaju apsolutni dokaz.

Dva vrlo nedavno otkriće je napravio da snažno podržavaju hipotezu da ovi sistemi zaista sadrže crne rupe. Prvo, obližnje aktivne galaksije je utvrđeno da imaju sistem “vode Maser” (vrlo snažan izvor mikrovalna zračenja) u blizini svoje jezgro. Koristeći tehniku ​​vrlo dug-osnovna linija interferometarske, grupa istraživača je bio u stanju da mapira distribuciju brzina plina sa vrlo fine rezolucije. U stvari, oni su bili u mogućnosti za mjerenje brzine za manje od pola svetlosne godine u centru galaksije. Iz ovog mjerenja mogu zaključiti da je masivnom objektu u središtu ove galaksije je manje od pola svetlosne godine u radijusu. Teško je zamisliti ništa drugo nego crna rupa koja bi mogla imati toliko masu koncentriran u tako malim količinama. (Ovaj rezultat ostvaren je Miyoshi et al. U 12 Jan 1995 pitanje prirode, vol. 373, str. 127.)

Drugi otkriće daje još uvjerljivi dokazi. X-ray astronomi su otkrivena spektralne linije od jednog galaktičkog jezgra koja ukazuje na prisustvo atoma u blizini nukleusa koji se kreću vrlo brzo (oko 1/3 brzine svjetlosti). Osim toga, zračenje iz ovih atoma je crvenim pomakom u samo na način koji bi se očekivati ​​za zračenje dolazi iz blizini horizonta crne rupe. Ova zapažanja bi bilo vrlo teško objasniti na bilo koji drugi način osim crne rupe, a ako su potvrđene, onda je hipoteza da su neke galaksije sadrže supermasivne crne rupe u svojim centrima će biti prilično siguran. (Ovaj rezultat je zabilježen u 22. jun 1995 pitanje prirode, vol. 375, str. 659, od Tanaka et al.)

A potpuno različite klase crnih rupa kandidati mogu se naći u našoj galaksiji. To su mnogo lakši, zvezdane mase crne rupe, za koje se smatra da se formira kada masivna zvijezda završava svoj život u eksplozije supernove. Ako takav zvjezdani crne rupe su da se negde sama po sebi, ne bismo imali mnogo nade pronalaženja to. Međutim, mnoge zvijezde dolaze u binarnim sistemima – parova zvezda u orbiti oko drugog. Ako je jedna od zvijezda u takvom binarnom sistemu postaje crna rupa, možda ćemo biti u stanju da to otkrije. Konkretno, u nekim binarni sistemima koji sadrže kompaktan predmet kao što je crna rupa, materija isisan off drugog objekta i formira “nagomilavanja disk” stvari vrte u crnu rupu. Stvar u nagomilavanja disku postaje vrlo vruće jer pada bliže i bliže crnoj rupi, a emitira velike količine zračenja, uglavnom u X-ray dio spektra. Mnoge takve “X-ray binarni sistemi” su poznati, i mislio neki od njih su da se vjerovatno crna rupa kandidata.

Pretpostavimo da ste našli X-ray binarnom sistemu. Kako možete reći da li je nevidljivim kompaktni objekt je crna rupa? Pa, jedna stvar koju bi sigurno radila je procijeniti svoje mase. Mjerenjem orbitalne brzine vidljivih zvijezda (zajedno s nekoliko drugih stvari), možete shvatiti masu nevidljivog pratioca. (Tehnika je vrlo slična onoj što je gore opisano za supermasivne crne rupe u galaktičkom centara:. Brže zvijezda kreće, jače gravitaciono traži da ga drži na mjestu snazi, pa je masivniji nevidljivi pratilac) Ako mase kompaktnog objekta se utvrdi da je vrlo velika jako velika, onda ne postoji vrsta objekta znamo o tome može biti drugo nego crna rupa. (Običan zvijezda te mase bi bile vidljive. A zvjezdani ostatak, kao što je neutronska zvijezda neće biti u stanju da podrže sama protiv gravitacije, i da će propasti u crnu rupu.) Kombinacija takve masovne procjene i detaljne studije zračenja iz u nagomilavanja disk može isporučiti moćan posredni dokazi da je objekat u pitanju je zaista crna rupa.

Mnogi od ovih sistema “X-ray binarni” su poznati, au nekim slučajevima i dokaze u prilog crnih rupa hipoteza je prilično jak. U članak u broju godišnjih Komentari astronomije i astrofizike iz 1992. godine, Anne Cowley sumirao situaciju rekavši da je bilo poznato tri takve sisteme (dva u našoj galaksiji i jedan u obližnjem Velikom Magelanovom Cloud) za koje postoji vrlo jaki dokazi da je masa nevidljivog objekta je prevelika da bi sve osim crne rupe. Postoji mnogo takvih objekata za koje se smatra da su šanse crne rupe na osnovu malo manje dokaza. Osim toga, ovo polje istraživanja je bio vrlo aktivan od 1992. godine, a broj jakih kandidata do sada je veći od tri.

Kako crne rupe ispariti?
—————————–

To je teško pitanje. Povratak u 1970-ih, Stephen Hawking je došao s teorijskim argumentima koji pokazuju da crne rupe zapravo nisu potpuno crne: zbog kvantno-mehaničkih efekata, oni emitiraju zračenje. Energija koja proizvodi zračenje dolazi iz mase crne rupe. Shodno tome, crna rupa postupno smanjuje. Ispostavilo se da je stopa povećava zračenja kao mase smanjuje, tako da se crna rupa i dalje zrače više i više intenzivno i da se smanjuju sve više i brže dok se pretpostavlja nestaje u potpunosti.

Zapravo, niko nije siguran šta se dešava na posljednjoj fazi crne rupe isparavanja: neki istraživači smatraju da je maleni, stabilan ostatak je ostavio iza sebe. Naš trenutni teorije jednostavno nisu dovoljno dobri da nam reći za sigurno jedan ili drugi način. Dokle god sam odricanje, da dodam da je cijeli predmet crne rupe isparavanja je izuzetno špekulativne. To uključuje smisliti kako da obavlja proračune kvantno-mehanički (ili radije kvantno-polje-teorijskog) u zakrivljenim prostorvreme, što je veoma težak zadatak, a koji daje rezultate koji su u suštini nemoguće testirati sa eksperimentima. Fizičari * Mislim * da imamo ispravan teorije da predviđanja o crnoj rupi isparavanje, ali bez eksperimentalnih ispitivanja da je nemoguće biti siguran.

Sada, zašto crne rupe ispariti? Evo jedan od načina da ga pogleda, što je samo umjereno netačno. (Ne mislim da je to moguće učiniti mnogo bolje od ovoga, osim ako ne želite provesti nekoliko godina učeći o kvantnoj teoriji polja u zakrivljenom prostoru.) Jedna od posljedica principa neizvjesnosti kvantne mehanike je da je moguće za zakon očuvanja energije da se krše, ali samo za vrlo kratko trajanje. Univerzum je u stanju da proizvede mase i energije niotkuda, ali samo ako je masa i energija ponovo nestati vrlo brzo. Jedan određeni način na koji se to čudan fenomen manifestira se po imenu vakuumske fluktuacije. Parovi koji se sastoji od čestica i antičestica mogu se pojaviti niotkuda, postoje za vrlo kratko vrijeme, a zatim uništi jedni druge. Očuvanje energije je prekršen kada se stvore čestice, ali sve te energije se vraća kada se ponovo uništiti. Kao čudno kao sve ovo zvuči, mi smo zapravo potvrdili eksperimentalno da su ovi vakuumske fluktuacije su pravi.

Sada, pretpostavimo da jedan od ovih vakuumske fluktuacije se događa u blizini horizonta crne rupe. Može se dogoditi da jedna od dvije čestice pada preko horizonta, dok je drugi izmiče. Onaj koji bježi nosi energiju od crne rupe i može da se otkrije neki posmatrač daleko. U tom posmatrač, to će izgledati kao crna rupa je upravo emituje čestice. Ovaj proces se događa u više navrata, a posmatrač vidi kontinuirani tok zračenja iz crne rupe.

Neće crne rupe su isparila iz pod mene prije nego što sam do toga?
———————————————————————

Smo uočili da je, sa stanovišta vašeg prijatelja Penelope koji sigurno ostaje izvan crne rupe, to vas vodi beskonačan iznos od vrijeme da pređu horizont. Mi smo također primijetio da crne rupe isparavaju preko Hawking zračenja u konačnom iznosu od vremena. Dakle, u vrijeme dođete do horizonta, crne rupe će nestati, zar ne?

Pogrešno. Kada smo rekli da će Penelope vidim uzeti zauvijek za tebe da pređe horizont, bili smo zamišljajući bez isparavanja crne rupe a. Ako je crna rupa je isparavanje, to mijenja stvari. Tvoj prijatelj ćete pređete horizont u istom trenutku ugleda crnu rupu ispari. Dopustite mi da opišem zašto je to istina.

Zapamtite ono što smo rekli prije: Penelope je žrtva optička iluzija. Svetlost koja vam emituju kada si vrlo blizu horizonta (ali i dalje na vanjskoj strani) traje jako dugo vremena da se izvuče i do nje. Ako je crna rupa traje zauvijek, onda svjetlo može trajati proizvoljno dugo da izađe, i to je razlog zašto ona ne vidi pređete horizont za jako dugo (čak i beskonačno) vremena. Ali kada je crna rupa ispari, ne postoji ništa da se zaustavi svjetlo koje nosi vijest da ste u vezi da pređe horizont dođu do nje. U stvari, to joj dođe u istom trenutku kao da je posljednji rafal Hawking zračenja. Naravno, ništa od toga neće bitno za vas: vi ste odavno prešli horizont i su slomiti na singularnost. Žao mi je zbog toga, ali si trebao misliti o tome prije nego što je skočio u.

Ono što je bela rupa?
———————

U jednadžbi opće relativnosti ima zanimljiv matematički nekretnine: oni su simetrične u vremenu. To znači da možete uzeti bilo koji rješenje jednadžbe i zamislite teče to vrijeme unazad, a ne naprijed, a vi ćete dobiti još važi rješenje jednadžbe. Ako ste se prijavili ovo pravilo na rješenje koje opisuje crne rupe, dobijete objekat poznat kao bijelu rupu. Budući da je crna rupa je područje prostora iz kojeg ništa ne može pobjeći, vrijeme-obrnuta verzija crne rupe je regija od prostora u kojem ništa ne može pasti. U stvari, baš kao što je crna rupa može samo sisati stvari, bijelu rupu da pljuju samo stvari.

White rupe su savršeno važi matematičko rješenje jednadžbe opće relativnosti, ali to ne znači da su oni zapravo postoje u prirodi. U stvari, oni gotovo sigurno ne postoji, jer ne postoji način da se proizvede jedan. (Izrada bele rupe je jednako nemoguće kao uništavanje crne rupe, jer ta dva procesa su vremena preokrete jedni od drugih.)

Ono što je crvotočine?
——————-

Do sada smo u obzir samo običan “vanilija” crne rupe. Naime, mi smo razgovarali svi zajedno o crnim rupama koje se ne rotira i nemaju električni naboj. Ako uzmemo u obzir crne rupe koje rotiraju i / ili imaju punjenja, stvari postaju složenije. Konkretno, moguće je da padne u takvu crnu rupu i ne pogodio singularnost. U stvari, unutrašnjost je optužen ili rotirajuće crne rupe mogu “pridružiti se” sa odgovarajućim bele rupe na takav način da možete pasti u crnu rupu i pop iz bijele rupe. Ova kombinacija crne i bijele rupe se naziva crvotočina.

Beli rupa može biti negdje vrlo daleko od crne rupe; Zaista, možda čak i biti u “različitim Universe” – to jest, region prostorvremena da, osim samog crvotočinu, je potpuno odvojeni od našeg regiona. Prigodno-nalazi crvotoiina bi stoga pružaju zgodan i brz način da se putuje vrlo velike udaljenosti, ili čak da putuju u drugi svemir. Možda je izlaz na crvotočinu bi lagao u prošlosti, tako da biste se mogli vratiti u roku prolazi. Sve u svemu, oni zvuče prilično cool.

Ali, prije nego što ste se prijavili za to istraživanje Grant da se potraga za njima, postoji nekoliko stvari koje bi trebali znati. Prije svega, crvotočine gotovo sigurno ne postoje. Kao što smo rekli gore u poglavlju o bele rupe, samo zato što je nešto važi matematičko rješenje jednadžbi, ne znači da je to zaista postoji u prirodi. Konkretno, crne rupe koje čine od kolapsa obične materije (što uključuje sve od crne rupe koje mislimo da postoje) ne formiraju crvotočine. Ako spadaju u jednu od tih, nećeš da iskoči bilo gdje. Ti ćeš pogoditi singularitet, i to je sve što je potrebno.

Osim toga, čak i ako su formirani crvotočinu, smatra se da to ne bi bilo stabilno. Čak i najmanja perturbacija (uključujući poremećaj uzrokovan svoj pokušaj da se putuje kroz njega) će uzrokovati kolaps.

Na kraju, čak i ako crvotočine postoje i stabilni, oni su zaista nezgodan da putuju kroz. Zračenja koje sipa u crvotočinu (od obližnjih zvezda, kosmička mikrovalna pozadini, itd) biva blueshifted do vrlo visokih frekvencija. Kao što ste pokušali proći kroz crvotočinu, od vas će se prženi ovih X-zrake i gama zrake.

Gdje mogu ići da biste saznali više o crnim rupama?
———————————————–

Dozvolite mi da počnem priznanjem da sam preuzeti su neke od navedenih materijala iz članka o crnim rupama u listu često postavljana pitanja za USENET grupa sci.physics. U sci.physics FAQ je objavljeno mjesečno na sci.physics i dostupan od strane anonimnih FTP iz rtfm.mit.edu (i vjerojatno drugim mjestima). Članak o crnim rupama, što je odlična, napisao je Matt McIrvin. FAQ sadrži i druge uredan stvari.

Postoji mnogo knjiga vani o crnim rupama i srodnim pitanjima. Kip Thorne je “Black Holes and Time neravnine: Einstein je nečuveno Legacy” je dobar. William Kaufmann je “crne rupe i Warped Spacetime” je također vrijedno čitanja. R. Wald je “Prostor, vrijeme, i Gravity” je izlaganje opće relativnosti za ne-naučnike. Nisam pročitao sam, ali sam čuo dobre stvari o njemu.

Oba ova knjiga imaju za cilj da čitaocima bez puno pozadine u fizici. Ako želite više “mesa” (i.e., još matematika), onda vjerojatno započeti knjigu o osnovama teorije relativnosti. Najbolji uvod u temu je “Spacetime Physics” od E.F. Taylor i J.A. Wheeler. (Ova knjiga je uglavnom o posebnim relativnosti, ali posljednje poglavlje razmatra opšte teorije.) Taylor i Wheeler su prete oko dvije godine objaviti nastavak pod nazivom “Istraživački crne rupe”, što bi trebalo biti sasvim dobro, ako ikad dođe out. “Spacetime Fizika” ne pretpostavlja da znate ogromne količine fizike, ali to pretpostaviti da ste spremni naporno raditi na razumijevanje ove stvari. To nije svjetlo za čitanje, iako je više razigran i manje zastrašujuće od većine fizike knjiga.

Na kraju, ako je “Spacetime Fizika” nije dovoljno za vas, možete probati bilo koji od nekoliko uvod u opšte relativnosti. B. Schutz-a “Prva kurs General relativnosti” i W. Rindler je “Essential relativnosti” su nekoliko mogućnosti. I za izuzetno hrabri čitač sa odličnim iskustvom u fizici, tu je i deda svih knjiga o općoj relativnosti, Misner, Thorne i Wheeler je “Gravitacija”. R. Wald knjiga “Opšte Relativnosti” je na uporediv nivou da “Gravitacija”, iako je stilova dvije knjige su izuzetno različiti. Ono malo što znam o crnih rupa isparavanja dolazi iz Wald knjige. Dozvolite mi da naglasim da sve ove knjige, a posebno u posljednje dvije, pretpostavljam da znate dosta fizike. Oni nisu za one sa slabim srcem.

September 1995