Jump to content

Радиус Шварцшильда

(Перенаправлено с «Радиус Шварцшильда »)

Радиус Шварцшильда или гравитационный радиус — это физический параметр в решении Шварцшильда уравнений поля Эйнштейна , который соответствует радиусу, определяющему горизонт событий Шварцшильда черной дыры . Это характерный радиус, связанный с любым количеством массы. Радиус Шварцшильда был назван в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда , который вычислил это точное решение для общей теории относительности в 1916 году.

Радиус Шварцшильда определяется как где G гравитационная постоянная , M — масса объекта, а c скорость света . [ примечание 1 ] [ 1 ] [ 2 ]

В 1916 году Карл Шварцшильд получил точное решение. [ 3 ] [ 4 ] к уравнениям поля Эйнштейна для гравитационного поля вне невращающегося сферически симметричного тела с массой (см. метрику Шварцшильда ). Решение содержало слагаемые вида и , который становится сингулярным при и соответственно. стал известен как радиус Шварцшильда . Физическое значение этих особенностей обсуждалось десятилетиями. Выяснилось, что тот, что в является координатной сингулярностью, то есть является артефактом конкретной использованной системы координат; в то время как тот, что в является сингулярностью пространства-времени и не может быть устранена. [ 5 ] Тем не менее, как отмечалось выше и ниже, радиус Шварцшильда является физически значимой величиной.

Это выражение ранее было рассчитано с использованием механики Ньютона как радиус сферически симметричного тела, при котором скорость убегания равна скорости света. Он был обнаружен в 18 веке Джоном Мичеллом. [ 6 ] и Пьер-Симон Лаплас . [ 7 ]

Параметры

[ редактировать ]

Радиус Шварцшильда объекта пропорционален его массе. Соответственно, Солнце имеет радиус Шварцшильда примерно 3,0 км (1,9 мили). [ 8 ] тогда как у Земли он составляет примерно 9 мм (0,35 дюйма). [ 8 ] а Луны у - примерно 0,1 мм (0,0039 дюйма).

Радиус Шварцшильда объекта
Object Mass Schwarzschild radius Actual radius Schwarzschild density or
Milky Way 1.6×1042 kg 2.4×1015 m (0.25 ly) 5×1020 m (52900 ly) 0.000029 kg/m3
SMBH in Phoenix A (one of the largest known black holes) 2×1041 kg 3×1014 m (~2000 AU) 0.0018 kg/m3
Ton 618 1.3×1041 kg 1.9×1014 m (~1300 AU) 0.0045 kg/m3
SMBH in NGC 4889 4.2×1040 kg 6.2×1013 m (~410 AU) 0.042 kg/m3
SMBH in Messier 87[9] 1.3×1040 kg 1.9×1013 m (~130 AU) 0.44 kg/m3
SMBH in Andromeda Galaxy[10] 3.4×1038 kg 5.0×1011 m (3.3 AU) 640 kg/m3
Sagittarius A* (SMBH in Milky Way)[11] 8.26×1036 kg 1.23×1010 m (0.08 AU) 1.068×106 kg/m3
SMBH in NGC 4395[12] 7.1568×1035 kg 1.062×109 m (1.53 R) 1.4230×108 kg/m3
Potential intermediate black hole in HCN-0.009-0.044[13][14] 6.3616×1034 kg 9.44×108 m (14.8 R🜨) 1.8011×1010 kg/m3
Resulting intermediate black hole from GW190521 merger[15] 2.823×1032 kg 4.189×105 m (0.066 R🜨) 9.125×1014 kg/m3
Sun 1.99×1030 kg 2.95×103 m 7.0×108 m 1.84×1019 kg/m3
Jupiter 1.90×1027 kg 2.82 m 7.0×107 m 2.02×1025 kg/m3
Saturn 5.683×1026 kg 8.42×10−1 m 6.03×107 m 2.27×1026 kg/m3
Neptune 1.024×1026 kg 1.52×10−1 m 2.47×107 m 6.97×1027 kg/m3
Uranus 8.681×1025 kg 1.29×10−1 m 2.56×107 m 9.68×1027 kg/m3
Earth 5.97×1024 kg 8.87×10−3 m 6.37×106 m 2.04×1030 kg/m3
Venus 4.867×1024 kg 7.21×10−3 m 6.05×106 m 3.10×1030 kg/m3
Mars 6.39×1023 kg 9.47×10−4 m 3.39×106 m 1.80×1032 kg/m3
Mercury 3.285×1023 kg 4.87×10−4 m 2.44×106 m 6.79×1032 kg/m3
Moon 7.35×1022 kg 1.09×10−4 m 1.74×106 m 1.35×1034 kg/m3
Human 70 kg 1.04×10−25 m ~5×10−1 m 1.49×1076 kg/m3
Planck mass 2.18×10−8 kg 3.23×10−35 m (2 lP) 1.54×1095 kg/m3

Классификация черных дыр по радиусу Шварцшильда

[ редактировать ]
Классификации черных дыр
Сорт Прибл.
масса
Прибл.
радиус
Сверхмассивная черная дыра 10 5 –10 10 М Вс 0,001–400 а.е.
Черная дыра промежуточной массы 10 3 М Вс 10 3 км ≈ R Земли
Звездная черная дыра 10 м вс 30 км
Микрочерная дыра до М Луны до 0,1 мм

Любой объект, радиус которого меньше его радиуса Шварцшильда, называется черной дырой . Поверхность радиуса Шварцшильда действует как горизонт событий в невращающемся теле ( вращающаяся черная дыра действует несколько иначе). Ни свет, ни частицы не могут выйти через эту поверхность из внутренней области, отсюда и название «черная дыра».

Черные дыры можно классифицировать на основе их радиуса Шварцшильда или, что то же самое, по их плотности, где плотность определяется как масса черной дыры, деленная на объем ее сферы Шварцшильда. Поскольку радиус Шварцшильда линейно связан с массой, а замкнутый объем соответствует третьей степени радиуса, маленькие черные дыры гораздо плотнее больших. Объем, заключенный в горизонте событий самых массивных черных дыр, имеет среднюю плотность ниже, чем у звезд главной последовательности.

Сверхмассивная черная дыра

[ редактировать ]

Сверхмассивная черная дыра (СМЧД) — самый крупный тип черной дыры, хотя официальных критериев того, почему такой объект считается таковым, немного: от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс. (Сверхмассивные черные дыры до 21 миллиарда (2,1 × 10 10 ) M были обнаружены, например NGC 4889 .) [ 16 ] В отличие от черных дыр звездной массы , сверхмассивные черные дыры имеют сравнительно низкую среднюю плотность. (Обратите внимание, что (невращающаяся) черная дыра — это сферическая область в пространстве, окружающая сингулярность в ее центре; это не сама сингулярность.) Имея это в виду, средняя плотность сверхмассивной черной дыры может быть меньше плотность воды.

Радиус Шварцшильда тела пропорционален его массе и, следовательно, его объему, если предположить, что тело имеет постоянную массу-плотность. [ 17 ] Напротив, физический радиус тела пропорционален кубическому корню из его объема. Следовательно, поскольку тело накапливает вещество с заданной фиксированной плотностью (в данном примере 997 кг/м2). 3 , плотность воды), ее радиус Шварцшильда будет увеличиваться быстрее, чем ее физический радиус. Когда тело такой плотности выросло примерно до 136 миллионов солнечных масс (1,36 × 10 8  M ), ее физический радиус превзойдет радиус Шварцшильда, и, таким образом, она образует сверхмассивную черную дыру.

Считается, что подобные сверхмассивные черные дыры не образуются сразу в результате сингулярного коллапса скопления звезд. Вместо этого они могут начать жизнь как меньшие черные дыры звездного размера и стать больше за счет аккреции материи или даже других черных дыр. [ 18 ]

Радиус Шварцшильда сверхмассивной черной дыры в галактическом центре Млечного Пути составляет примерно 12 миллионов километров. [ 11 ] Его масса составляет около 4,1 миллиона M .

Звездная черная дыра

[ редактировать ]

Звездные черные дыры имеют гораздо большую среднюю плотность, чем сверхмассивные черные дыры. Если накапливать вещество при ядерной плотности (плотность ядра атома около 10 18 кг/м 3 ; нейтронные звезды также достигают этой плотности), такое скопление попадало бы в пределах собственного Шварцшильдовского радиуса примерно 3 M и, таким образом, было бы звездной черной дырой .

Микрочерная дыра

[ редактировать ]

Небольшая масса имеет чрезвычайно малый радиус Шварцшильда. Черная дыра по массе похожа на Эверест. [ 19 ] [ примечание 2 ] будет иметь радиус Шварцшильда намного меньше нанометра . [ примечание 3 ] Его средняя плотность при таком размере будет настолько высокой, что ни один известный механизм не сможет сформировать столь чрезвычайно компактные объекты. Такие черные дыры могли образоваться на ранней стадии эволюции Вселенной, сразу после Большого взрыва , когда плотность материи была чрезвычайно высокой. Поэтому эти гипотетические миниатюрные черные дыры называются первичными черными дырами .

При переходе к планковскому масштабу ≈ 10 −35 м гравитационный радиус удобно записать в виде , (см. также виртуальную черную дыру ). [ 20 ]

Другое использование

[ редактировать ]

В гравитационном замедлении времени

[ редактировать ]

Гравитационное замедление времени вблизи большого, медленно вращающегося, почти сферического тела, такого как Земля или Солнце, можно разумно аппроксимировать следующим образом: [ 21 ] где:

  • t r — время, прошедшее для наблюдателя в радиальной координате r в гравитационном поле;
  • t — прошедшее время для наблюдателя, удаленного от массивного объекта (и, следовательно, вне гравитационного поля);
  • r — радиальная координата наблюдателя (аналог классического расстояния от центра объекта);
  • r s – радиус Шварцшильда.

Комптоновское пересечение длин волн

[ редактировать ]

Радиус Шварцшильда ( ) и комптоновская длина волны ( ), соответствующие данной массе, подобны, когда масса составляет около одной планковской массы ( ), когда оба имеют тот же порядок, что и планковская длина ( ).

Гравитационный радиус и принцип неопределенности Гейзенберга

[ редактировать ]

Таким образом, или , что является еще одной формой принципа неопределенности Гейзенберга в масштабе Планка . (См. также Виртуальная черная дыра ). [ 20 ] [ 22 ]

Расчет максимального объема и радиуса, возможных с учетом плотности до образования черной дыры

[ редактировать ]

Уравнением радиуса Шварцшильда можно манипулировать, чтобы получить выражение, которое дает максимально возможный радиус из входной плотности, которая не образует черную дыру. Принимая входную плотность за ρ ,

Например, плотность воды 1000 кг/м. 3 . Это означает, что наибольшее количество воды, которое вы можете иметь без образования черной дыры, будет иметь радиус 400 920 754 км (около 2,67 а.е. ).

См. также

[ редактировать ]

Классификация черных дыр по типам:

Классификация черных дыр по массе:

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ В геометризированных системах единиц G и c считаются равными единице, что сводит это уравнение к .
  2. ^ Используя эти значения, [ 19 ] можно вычислить оценку массы 6,3715 × 10 14 кг .
  3. ^ Можно вычислить радиус Шварцшильда: 2 × 6,6738 × 10. −11 м 3 ⋅kg −1 ⋅s −2 × 6.3715 × 10 14 кг / ( 299 792 458 м⋅с −1 ) 2 = 9.46 × 10 −13 м = 9,46 × 10 −4 нм .
  1. ^ Катнер, Марк Лесли (2003). Астрономия: физическая перспектива (2-е изд.). Кембридж, Великобритания ; Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета . п. 148. ИСБН  978-0-521-82196-4 .
  2. ^ Гидри, МВт (2019). Современная общая теория относительности: черные дыры, гравитационные волны и космология . Кембридж; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. п. 92. ИСБН  978-1-107-19789-3 .
  3. ^ Шварцшильд, Карл (1916). «О гравитационном поле точки массы по теории Эйнштейна» . Труды Королевской прусской академии наук : 189. Бибкод : 1916SPAW.......189S .
  4. ^ Шварцшильд, Карл (1916). «О гравитационном поле сферы несжимаемой жидкости по теории Эйнштейна» . Труды Королевской прусской академии наук в Берлине : 424. Бибкод : 1916skpa.conf..424S .
  5. ^ Уолд, Роберт (1984). Общая теория относительности . Издательство Чикагского университета. стр. 152–153 . ISBN  978-0-226-87033-5 .
  6. ^ Шаффер, Саймон (1979). «Джон Мичелл и черные дыры» . Журнал истории астрономии . 10 : 42–43. Бибкод : 1979JHA....10...42S . дои : 10.1177/002182867901000104 . S2CID   123958527 . Проверено 4 июня 2018 г.
  7. ^ Монтгомери, Колин; Орчистон, Уэйн; Уиттингем, Ян (2009). «Мичелл, Лаплас и происхождение концепции черной дыры» (PDF) . Журнал астрономической истории и наследия . 12 (2): 90. Бибкод : 2009JAHH...12...90M . дои : 10.3724/SP.J.1440-2807.2009.02.01 . S2CID   55890996 . Архивировано из оригинала (PDF) 2 мая 2014 года.
  8. ^ Перейти обратно: а б Андерсон, Джеймс Л. (2001). «VC: Поле Шварцшильда, горизонты событий и черные дыры» . У Мейера, Роберт А. (ред.). Энциклопедия физических наук и технологий (третье издание) . Кембридж, Массачусетс: Academic Press . ISBN  978-0-12-227410-7 . Проверено 23 октября 2023 г.
  9. ^ Сотрудничество с телескопами горизонта событий (2019). «Первые результаты телескопа горизонта событий M87. I. Тень сверхмассивной черной дыры» . Письма астрофизического журнала . 875 (1): Л1. arXiv : 1906.11238 . Бибкод : 2019ApJ...875L...1E . дои : 10.3847/2041-8213/AB0EC7 . 6,5(7) × 10 9  M = 1.29(14) × 10 40 кг .
  10. ^ Бендер, Ральф; Корменди, Джон; Бауэр, Гэри; и др. (2005). «HST STIS-спектроскопия тройного ядра M31: два вложенных диска в кеплеровском вращении вокруг сверхмассивной черной дыры». Астрофизический журнал . 631 (1): 280–300. arXiv : astro-ph/0509839 . Бибкод : 2005ApJ...631..280B . дои : 10.1086/432434 . S2CID   53415285 . 1,7(6) × 10 8  M = 0.34(12) × 10 39 кг .
  11. ^ Перейти обратно: а б Гез, AM; и др. (декабрь 2008 г.). «Измерение расстояния и свойств центральной сверхмассивной черной дыры Млечного Пути со звездными орбитами». Астрофизический журнал . 689 (2): 1044–1062. arXiv : 0808.2870 . Бибкод : 2008ApJ...689.1044G . дои : 10.1086/592738 . S2CID   18335611 .
  12. ^ Петерсон, Брэдли М.; Бенц, Мисти К.; Дерош, Луи-Бенуа; Филиппенко Алексей Владимирович; Хо, Луис К.; Каспи, Шай; Лаор, Ари; Маоз, Дэн; Моран, Эдвард К.; Погге, Ричард В.; Куиллен, Элис К. (20 октября 2005 г.). «Многоволновой мониторинг карликовой сейфертовской галактики 1 NGC 4395. I. Измерение массы черной дыры на основе реверберации». Астрофизический журнал . 632 (2): 799–808. arXiv : astro-ph/0506665 . Бибкод : 2005ApJ...632..799P . дои : 10.1086/444494 . hdl : 1811/48314 . ISSN   0004-637X . S2CID   13886279 .
  13. ^ «Найдена скрывающаяся черная дыра» . физ.орг . 1 марта 2019 года . Проверено 15 июня 2022 г.
  14. ^ Такекава, Шунья; Ока, Томохару; Ивата, Юхей; Цудзимото, Сихо; Номура, Марико (2019). «Признак существования еще одной черной дыры промежуточной массы в галактическом центре» . Астрофизический журнал . 871 (1): Л1. arXiv : 1812.10733 . Бибкод : 2019ApJ...871L...1T . дои : 10.3847/2041-8213/aafb07 .
  15. ^ Эбботт, Р.; Эбботт, Т.Д.; Авраам, С.; Ачернезе, Ф.; Экли, К.; Адамс, К.; Адхикари, RX; Адья, В.Б.; Аффельдт, К.; Агатос, М.; Агацума, К. (2 сентября 2020 г.). «Свойства и астрофизические последствия слияния 150 M бинарных черных дыр GW190521» . Астрофизический журнал . 900 (1): Л13. arXiv : 2009.01190 . Бибкод : 2020ApJ...900L..13A . дои : 10.3847/2041-8213/aba493 . ISSN   2041-8213 . S2CID   221447444 .
  16. ^ МакКоннелл, Николас Дж. (8 декабря 2011 г.). «Две черные дыры массой десять миллиардов солнечных в центрах гигантских эллиптических галактик». Природа . 480 (7376): 215–218. arXiv : 1112.1078 . Бибкод : 2011Natur.480..215M . дои : 10.1038/nature10636 . ПМИД   22158244 . S2CID   4408896 .
  17. ^ Роберт Х. Сандерс (2013). Раскрытие сердца Галактики: Млечный Путь и его черная дыра . Издательство Кембриджского университета. п. 36 . ISBN  978-1-107-51274-0 .
  18. ^ Пауччи, Фабио; Леб, Авраам (1 июня 2020 г.). «Разделение аккреции и слияний в космическом росте черных дыр с помощью рентгеновских и гравитационно-волновых наблюдений» . Астрофизический журнал . 895 (2): 95. arXiv : 2004.07246 . Бибкод : 2020ApJ...895...95P . дои : 10.3847/1538-4357/ab886e . S2CID   215786268 .
  19. ^ Перейти обратно: а б «Как масса одного моля M&M’s соотносится с массой горы Эверест?» (PDF) . Школа науки и технологий, Сингапур. Март 2003 г. Архивировано из оригинала (PDF) 10 декабря 2014 г. . Проверено 8 декабря 2014 г. Если считать Эверест* конусом высотой 8850 м и радиусом 5000 м, то его объем можно рассчитать по следующему уравнению:
    объем = π г 2 h /3 [...] Гора Эверест состоит из гранита, плотность которого составляет 2750 кг⋅м. −3 .
  20. ^ Перейти обратно: а б АП Климец. (2023). Квантовая гравитация. Текущие исследования в области статистики и математики, 2 (1), 141–155.
  21. ^ Китон, Чарльз (2014). Принципы астрофизики: использование гравитации и звездной физики для исследования космоса . Конспект лекций по физике для студентов бакалавриата. Нью-Йорк: Спрингер. п. 208. ИСБН  978-1-4614-9236-8 .
  22. ^ Климец А.П., Центр философской документации, Западный университет Канады, 2017, стр.25-30.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3d77d89b96c100e143b00ae9237df92e__1725011100
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3d/2e/3d77d89b96c100e143b00ae9237df92e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Schwarzschild radius - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)