Очертания черных дыр

Следующий план представляет собой обзор и актуальное руководство по черным дырам:

Черная дыра — математически определенная область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что ни одна частица или электромагнитное излучение не могут покинуть ее. Общая теория относительности предсказывает, что достаточно компактная масса может деформировать пространство-время, образуя черную дыру. Граница области, из которой невозможно выбраться, называется горизонтом событий . Хотя пересечение горизонта событий оказывает огромное влияние на судьбу объекта, пересекающего его, похоже, оно не имеет локально обнаруживаемых особенностей. Во многих отношениях черная дыра действует как идеальное черное тело , поскольку не отражает свет. Более того, квантовая теория поля в искривленном пространстве-времени предсказывает, что горизонты событий излучают излучение Хокинга с тем же спектром, что и у черного тела, а температура обратно пропорциональна его массе. Эта температура составляет порядка миллиардных долей Кельвина для черных дыр звездной массы, что делает ее практически невозможным для наблюдения.

Что представляет собой черная дыра?

Черную дыру можно описать как все следующее:

• Астрономический объект
  • Черное тело
  • Рухнувшая звезда

Типы черных дыр

• Метрика Шварцшильда . В общей теории относительности Эйнштейна решение Шварцшильда, названное в честь Карла Шварцшильда, описывает гравитационное поле вне сферической, незаряженной, невращающейся массы, такой как звезда, планета или черная дыра.
• Вращающаяся черная дыра - черная дыра, обладающая спиновым угловым моментом.
• Заряженная черная дыра – черная дыра, обладающая электрическим зарядом.
• Виртуальная черная дыра – черная дыра, существующая временно в результате квантового колебания пространства-времени.

Типы черных дыр по размеру

• Микрочерная дыра – предсказывается как крошечные черные дыры, также называемые квантово-механическими черными дырами или мини-черными дырами, для которых квантово-механические эффекты играют важную роль. Потенциально они могли возникнуть как первичные черные дыры .
• Экстремальная черная дыра – черная дыра с минимально возможной массой, которая может быть совместима с заданным зарядом и угловым моментом.
  • Электрон черной дыры . Если бы существовала черная дыра с той же массой и зарядом, что и электрон, она имела бы многие свойства электрона, включая магнитный момент и комптоновскую длину волны.
• Звездная черная дыра – черная дыра, образовавшаяся в результате гравитационного коллапса массивной звезды. Их массы варьируются от трех до нескольких десятков солнечных масс.
• Черная дыра промежуточной массы - черная дыра, масса которой значительно больше, чем у звездных черных дыр, но намного меньше, чем у сверхмассивных черных дыр.
• Сверхмассивная черная дыра – самый крупный тип черной дыры в галактике, массой от сотен тысяч до миллиардов солнечных.
• Квазар – очень энергичное и далекое активное ядро ​​галактики.
  • Активное ядро ​​галактики — компактная область в центре галактики, светимость которой намного выше нормальной, по крайней мере, в некоторой части, а возможно, и во всем электромагнитном спектре.
  • Блазар – очень компактный квазар, связанный с предполагаемой сверхмассивной черной дырой в центре активной гигантской эллиптической галактики.

Конкретные черные дыры

• Список черных дыр – неполный список черных дыр, упорядоченный по размеру; некоторые элементы в этом списке представляют собой галактики или звездные скопления, которые, как полагают, организованы вокруг черной дыры.

Исследование черной дыры

• Rossi X-ray Timing Explorer - спутник, наблюдающий за временной структурой астрономических источников рентгеновского излучения, названный в честь Бруно Росси.

Образование черных дыр

• Звездная эволюция – процесс, при котором звезда претерпевает последовательность радикальных изменений в течение своей жизни.
• Гравитационный коллапс – падение тела внутрь под действием собственной гравитации.
• Нейтронная звезда - тип звездного остатка, который может возникнуть в результате гравитационного коллапса массивной звезды во время сверхновой типа II, типа Ib или типа Ic.
• Компактная звезда – белые карлики, нейтронные звезды, другие экзотические плотные звезды и черные дыры.
  • Кварковая звезда – гипотетический тип экзотической звезды, состоящей из кварковой материи или странной материи.
  • Экзотическая звезда - компактная звезда, состоящая из чего-то иного, чем электроны, протоны и нейтроны, уравновешенная против гравитационного коллапса за счет давления вырождения или других квантовых свойств.
• Предел Толмана – Оппенгеймера – Волкова – верхняя граница массы звезд, состоящих из нейтронно-вырожденной материи.
• Белый карлик , также называемый вырожденным карликом, представляет собой небольшую звезду, состоящую в основном из электронно-вырожденного вещества.
• Сверхновая – звездный взрыв, более энергичный, чем новая.
• Гиперновая , также известная как сверхновая типа Ic, относится к чрезвычайно большой звезде, которая разрушается в конце своей жизни.
• Гамма-всплеск – вспышки гамма-лучей, связанные с чрезвычайно энергичными взрывами, наблюдавшимися в далеких галактиках.

Свойства черных дыр

• Аккреционный диск - структура (часто околозвездный диск), образованная диффузным материалом, находящимся в орбитальном движении вокруг массивного центрального тела, обычно звезды. Аккреционные диски черных дыр излучают в рентгеновской части спектра.
• Термодинамика черных дыр - область исследований, которая стремится согласовать законы термодинамики с существованием горизонтов событий черных дыр.
• Радиус Шварцшильда - расстояние от центра объекта, такое, что, если бы вся масса объекта была сжата внутри этой сферы, скорость отрыва от поверхности была бы равна скорости света.
• Отношение M – сигма - эмпирическая корреляция между дисперсией скоростей звезд. $\sigma$ балджа галактики и массы M сверхмассивной черной дыры в
• Горизонт событий – граница в пространстве-времени, за которой события не могут повлиять на стороннего наблюдателя.
• Квазипериодические колебания – способ, при котором рентгеновский свет астрономического объекта мерцает на определенных частотах.
• Фотонная сфера – сферическая область пространства, где гравитация настолько сильна, что фотоны вынуждены перемещаться по орбитам.
• Эргосфера – область, расположенная за пределами вращающейся черной дыры.
• Излучение Хокинга – излучение черного тела, которое, по прогнозам, будет излучаться черными дырами из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий.
• Процесс Пенроуза - процесс, предложенный Роджером Пенроузом, в котором энергия может быть извлечена из вращающейся черной дыры.
• Аккреция Бонди – сферическое приращение к объекту.
• Спагеттификация – вертикальное растяжение и горизонтальное сжатие объектов в длинные тонкие формы в очень сильном гравитационном поле, вызванное чрезвычайными приливными силами.
• Гравитационная линза - распределение материи между удаленным источником и наблюдателем, способное преломлять свет от источника при его движении к наблюдателю.

История черных дыр

История черных дыр

• Хронология физики черных дыр - Хронология физики черных дыр
• Джон Мичелл – геолог, впервые выдвинувший идею «темных звезд» в 1783 году.
  • Темная звезда
• Пьер-Симон Лаплас – один из первых математических теоретиков (1796 г.) идеи черных дыр.
• Альберт Эйнштейн - в 1915 году пришел к общей теории относительности.
• Карл Шварцшильд - описал гравитационное поле точечной массы в 1915 году.
• Субрахманьян Чандрасекхар - в 1931 году, используя специальную теорию относительности, постулировал, что невращающееся тело электронно-вырожденной материи выше определенной предельной массы (теперь называемой пределом Чандрасекара при 1,4 солнечных массах) не имеет устойчивых решений.
• Предел Толмана-Оппенгеймера-Волкова , более высокий предел, чем предел Чандрасекара, выше которого нейтронные звезды наверняка будут коллапсировать дальше, был предсказан в 1939 году вместе с описанием механизма, с помощью которого может возникнуть черная дыра.
• Дэвид Финкельштейн - определил поверхность Шварцшильда как горизонт событий.
• Рой Керр – В 1963 году нашел точное решение для вращающейся черной дыры.
• Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз показывают, что глобальные сингулярности могут возникать, а черные дыры не являются математическим артефактом конца 1960-х годов.
• Лебедь X-1 , открытый в 1964 году, был первым астрофизическим объектом, который после дальнейших наблюдений в начале 1970-х годов принято считать черной дырой.
• Джеймс Бардин и Джейкоб Бекенштейн сформулировали термодинамику черной дыры вместе с Хокингом и другими в начале 1970-х годов.
• Хокинг предсказывает излучение Хокинга в 1974 году как следствие термодинамики черной дыры.
• объявляет Научное сотрудничество LIGO о первом обнаружении слияния черных дыр посредством наблюдений гравитационных волн 11 февраля 2016 года.
• Телескоп Event Horizon наблюдает сверхмассивную черную дыру в галактическом центре Мессье 87 в 2017 году, в результате чего 10 апреля 2019 года было опубликовано первое прямое изображение черной дыры.

Модели черных дыр

• Гравитационная сингулярность – или сингулярность пространства-времени – это место, где величины, используемые для измерения гравитационного поля, становятся бесконечными таким образом, что это не зависит от системы координат.
  • Теоремы Пенроуза – Хокинга об особенностях - набор результатов в общей теории относительности, которые пытаются ответить на вопрос, когда гравитация создает сингулярности.
• Первичная черная дыра - гипотетический тип черной дыры, образовавшийся не в результате гравитационного коллапса большой звезды, а в результате чрезвычайной плотности материи, присутствовавшей во время раннего расширения Вселенной.
• Гравастар - объект, выдвинутый в астрофизике в качестве альтернативы теории черной дыры Павлом Мазуром и Эмилем Моттолой.
• Темная звезда (механика Ньютона) - теоретический объект, совместимый с механикой Ньютона, который из-за своей большой массы имеет скорость отрыва от поверхности, равную или превышающую скорость света.
• Звезда темной энергии
• Черная звезда (полуклассическая гравитация) – гравитационный объект, состоящий из материи.
• Вечно коллапсирующий магнитосферный объект – предлагаемая альтернатива черным дырам, отстаиваемая Дэррилом Лейтером и Стэнли Робертсоном.
• Fuzzball (теория струн) - некоторые ученые теории суперструн считают, что это истинное квантовое описание черных дыр.
• Белая дыра – гипотетическая область пространства-времени, в которую нельзя попасть извне, но из которой материя и свет имеют возможность выйти.
• Голая сингулярность – гравитационная сингулярность без горизонта событий.
• Кольцевая сингулярность - описывает изменяющуюся гравитационную сингулярность вращающейся черной дыры или черной дыры Керра, в результате чего гравитационная сингулярность приобретает форму кольца.
• Параметр Иммирзи – численный коэффициент, появляющийся в петлевой квантовой гравитации, непертурбативной теории квантовой гравитации.
• Мембранная парадигма - полезный метод «игрушечной модели» или «инженерный подход» для визуализации и расчета эффектов, предсказанных квантовой механикой для внешней физики черных дыр, без использования квантово-механических принципов или расчетов.
• Кугельблиц (астрофизика) – концентрация света настолько интенсивная, что он образует горизонт событий и оказывается в ловушке: согласно общей теории относительности, если в регион направлено достаточное количество излучения, концентрация энергии может исказить пространство-время настолько, что этот регион станет черная дыра.
• Червоточина - гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, которая, по сути, является «кратчайшим путем» через пространство-время.
• Квазизвезда – гипотетический тип чрезвычайно массивной звезды, которая могла существовать очень рано в истории Вселенной.
• Нейронная сеть черной дыры

Проблемы, связанные с черными дырами

• Теорема об отсутствии волос - постулирует, что все решения уравнений гравитации и электромагнетизма Эйнштейна-Максвелла в общей теории относительности в виде черных дыр могут быть полностью охарактеризованы только тремя наблюдаемыми извне классическими параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом.
• Информационный парадокс черной дыры – результат сочетания квантовой механики и общей теории относительности.
• Гипотеза космической цензуры – две математические гипотезы о структуре особенностей, возникающих в общей теории относительности.
• Несингулярные модели черных дыр - математическая теория черных дыр, которая позволяет избежать определенных теоретических проблем стандартной модели черной дыры, включая потерю информации и ненаблюдаемый характер горизонта событий черной дыры.
• Голографический принцип - свойство квантовой гравитации и теорий струн, которое утверждает, что описание объема пространства можно рассматривать как закодированное на границе области - предпочтительно светоподобной границе, такой как гравитационный горизонт.
• Дополнительность черных дыр - предполагаемое решение информационного парадокса черной дыры, предложенное Леонардом Сасскиндом. и Джерард 'т Хофт.

Метрики черной дыры

• Метрика Шварцшильда – описывает гравитационное поле вне сферической, незаряженной, невращающейся массы, такой как звезда, планета или черная дыра.
• Метрика Керра - описывает геометрию пустого пространства-времени вокруг незаряженной вращающейся черной дыры (осесимметричной с горизонтом событий, который топологически представляет собой сферу).
• Метрика Рейсснера – Нордстрема – статическое решение уравнений поля Эйнштейна-Максвелла, соответствующее гравитационному полю заряженного, невращающегося сферически симметричного тела массы M .
• Метрика Керра-Ньюмана - решение уравнений Эйнштейна-Максвелла в общей теории относительности, описывающее геометрию пространства-времени в области, окружающей заряженную вращающуюся массу.

Астрономические объекты, включая черную дыру

• Гиперкомпактная звездная система – плотное скопление звезд вокруг сверхмассивной черной дыры, выброшенной из центра родительской галактики.

Лица, влиятельные в исследовании черных дыр

• Стивен Хокинг
• Джейкоб Бекенштейн — за основу термодинамики черной дыры и выяснение связи между энтропией и площадью горизонта событий черной дыры.
• Карл Шварцшильд – нашел решение уравнений общей теории относительности, характеризующее черную дыру.
• Дж. Роберт Оппенгеймер - за открытие предела Толмана-Оппенгеймера-Волкова и его работа с Хартландом Снайдером, показывающая, как может развиваться черная дыра.
• Роджер Пенроуз – вместе с Хокингом показал, что глобальные сингулярности могут существовать.
• Альберт Эйнштейн – пришел к общей теории относительности; опубликовал в 1939 году статью, в которой утверждал, что черные дыры на самом деле не могут существовать.

См. также

• Очерк астрономии
  • Очерк космической науки

Внешние ссылки

• Черные дыры в программе «В наше время » на BBC
• Стэнфордская энциклопедия философии : « Сингулярности и черные дыры » Эрика Куриела и Питера Бокулича.
• Черные дыры: неустанное притяжение гравитации — интерактивный мультимедийный веб-сайт о физике и астрономии черных дыр от Научного института космического телескопа.
• Часто задаваемые вопросы (FAQ) о черных дырах
• « Геометрия Шварцшильда ».

Видео

• 16-летнее исследование отслеживает звезды, вращающиеся вокруг черной дыры Млечного Пути
• Фильм о кандидате в чёрную дыру из Института Макса Планка
• Nature.com 20 апреля 2015 г. 3D-моделирование сталкивающихся черных дыр
• Компьютерная визуализация сигнала, обнаруженного LIGO
• Две черные дыры сливаются в одну (по сигналу GW150914