Wat is een zwart gat?

Vraag: Wat is een zwart gat?

Wat is een zwart gat? Wanneer ontstaan ​​zwarte gaten? Kunnen wetenschappers een zwart gat zien? Wat is de "event horizon" van een zwart gat?

Antwoord: Een zwart gat is een theoretische entiteit die wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Een zwart gat wordt gevormd wanneer een ster met voldoende massa een gravitatie-instorting ondergaat, waarbij de meeste of alle massa wordt samengedrukt in een voldoende klein gebied van ruimte, waardoor op dat punt een oneindige ruimtetijdkromming ontstaat (een "singulariteit"). Zo'n enorme ruimtetijdkromming laat niets, zelfs geen licht, ontsnappen uit de 'event horizon' of grens.

Zwarte gaten zijn nooit rechtstreeks waargenomen, hoewel voorspellingen van hun effecten overeenkomen met waarnemingen. Er bestaan ​​een handvol alternatieve theorieën, zoals Magnetospheric Eternally Collapsing Objects (MECO's), om deze observaties te verklaren, waarvan de meeste de ruimtetijd singulariteit in het midden van het zwarte gat vermijden, maar de overgrote meerderheid van fysici geloven dat de verklaring voor het zwarte gat is de meest waarschijnlijke fysieke weergave van wat er gebeurt.

Zwarte gaten vóór relativiteit

In de jaren 1700 waren er sommigen die stelden dat een supermassief object er licht in zou kunnen trekken. Newtoniaanse optica was een corpusculaire lichttheorie, waarbij licht als deeltjes werd behandeld.

John Michell publiceerde in 1784 een paper waarin hij voorspelde dat een object met een straal van 500 keer die van de zon (maar dezelfde dichtheid) een ontsnappingssnelheid zou hebben van de snelheid van het licht aan het oppervlak en dus onzichtbaar zou zijn. De belangstelling voor de theorie stierf echter in de jaren 1900, toen de golftheorie van het licht prominent werd.

Wanneer zelden wordt verwezen in de moderne fysica, worden deze theoretische entiteiten aangeduid als "donkere sterren" om ze te onderscheiden van echte zwarte gaten.

Zwarte gaten van relativiteit

Binnen enkele maanden na Einsteins publicatie van algemene relativiteitstheorie in 1916, produceerde de fysicus Karl Schwartzchild een oplossing voor de vergelijking van Einstein voor een sferische massa (de zogenaamde Schwartzchild metrisch) ... met onverwachte resultaten.

De term die de straal uitdrukte had een verontrustend kenmerk. Het leek erop dat voor een bepaalde straal de noemer van de term nul zou worden, waardoor de term wiskundig zou "opblazen". Deze straal, bekend als de Radius van Schwartzchild, r_s, is gedefinieerd als:

r_s = 2 GM/ c ²

G is de zwaartekrachtconstante, M is de massa, en c is de snelheid van het licht.

Aangezien het werk van Schwartzchild cruciaal bleek voor het begrijpen van zwarte gaten, is het een vreemd toeval dat de naam Schwartzchild zich vertaalt naar 'zwart schild'.

Zwart gat eigenschappen

Een object waarvan de hele massa M ligt in r_s wordt beschouwd als een zwart gat. Evenement horizon is de naam gegeven aan r_s, omdat vanuit die straal de ontsnappingssnelheid van de zwaartekracht van het zwarte gat de snelheid van het licht is. Zwarte gaten trekken massa binnen door zwaartekrachten, maar niets van die massa kan ooit ontsnappen.

Een zwart gat wordt vaak uitgelegd in termen van een object of massa die erin "valt".

Y horloges X vallen in een zwart gat

• Y observeert geïdealiseerde klokken op X die vertragen, bevriezen in de tijd wanneer X toeslaat r_s
• Y neemt licht waar van X roodverschuiving en bereikt oneindig bij r_s (dus wordt X onzichtbaar - maar toch kunnen we hun klokken nog steeds zien. Is theoretische fysica niet groots?)
• X neemt in theorie merkbare verandering waar, hoewel het eenmaal kruist r_s het is onmogelijk om ooit te ontsnappen aan de zwaartekracht van het zwarte gat. (Zelfs licht kan niet ontsnappen aan de horizon van de gebeurtenis.)