Темная звезда (механика Ньютона)

Эта статья об астрономических объектах, описываемых механикой Ньютона. Чтобы узнать о современной концепции, основанной на темной материи, см. Темную звезду (темную материю) . Чтобы узнать о современной концепции, основанной на темной энергии, см. Звезду темной энергии .

Темная звезда — это теоретический объект, совместимый с механикой Ньютона , который из-за своей большой массы имеет скорость отрыва от поверхности , равную или превышающую скорость света . Неясно , влияет ли на свет гравитация в рамках ньютоновской механики, но если бы он ускорялся так же, как снаряды, любой свет, излучаемый поверхностью темной звезды, был бы захвачен гравитацией звезды , делая ее темной, отсюда и название. Темные звезды аналогичны черным дырам в общей теории относительности .

История теории темной звезды

Джон Мичелл и темные звезды

В 1783 году геолог Джон Мичелл письмо написал Генри Кавендишу с изложением ожидаемых свойств темных звезд, опубликованное Королевским обществом в томе 1784 года. Мичелл подсчитал, что, когда скорость убегания на поверхности звезды равна или превышает скорость света, генерируемый свет будет гравитационно пойман, так что звезда не будет видна удаленному астроному.

Если бы полудиаметр сферы той же плотности, что и у Солнца, превышал полудиаметр Солнца в пропорции 500 к 1, то тело, падающее к нему с бесконечной высоты, приобрело бы на своей поверхности большую скорость, чем у Если предположить, что свет притягивается той же самой силой, пропорциональной его инерции, с другими телами, то весь свет, излучаемый таким телом, будет вынужден вернуться к нему под действием его собственной гравитации.Это предполагает, что гравитация влияет на свет так же, как и на массивные объекты.

Идея Мичелла о расчете количества таких «невидимых» звезд предвосхитила работу астрономов 20-го века: он предположил, что, поскольку можно ожидать, что определенная часть систем двойных звезд будет содержать по крайней мере одну «темную» звезду, мы могли бы искать и каталогизировать как можно больше систем двойных звезд и выявить случаи, когда была видна только одна вращающаяся звезда. Это затем обеспечит статистическую основу для расчета количества другой невидимой звездной материи, которая может существовать в дополнение к видимым звездам.

Темные звезды и гравитационные сдвиги

Мичелл также предположил, что будущие астрономы смогут определить поверхностную гравитацию далекой звезды, наблюдая, насколько далеко свет звезды сдвинут в более слабый конец спектра, что является предшественником аргумента Эйнштейна о гравитационном сдвиге 1911 года. Однако Мичелл процитировал слова Ньютона о том, что синий свет менее энергичен, чем красный (Ньютон считал, что более массивные частицы связаны с большими длинами волн), поэтому предсказанные Мичеллом спектральные сдвиги были в неправильном направлении. Трудно сказать, могло ли тщательное цитирование Мичеллом позиции Ньютона по этому вопросу отражать отсутствие убежденности со стороны Мичелла в том, был ли Ньютон прав или это просто академическая тщательность.

Волновая теория света

В 1796 году математик Пьер-Симон Лаплас независимо от Мичелла выдвинул ту же идею в первом и втором изданиях своей книги «Exposition du système du Monde» .

Из-за развития волновой теории света Лаплас, возможно, удалил ее из более поздних изданий, поскольку свет стал рассматриваться как безмассовая волна и, следовательно, не подверженная влиянию гравитации и как группа, физики отказались от этой идеи, хотя немецкий физик , математик и астроном Иоганн Георг фон Зольднер продолжил Ньютона корпускулярную теорию света еще в 1804 году.

Сравнения с черными дырами

Косвенное излучение

Темные звезды и черные дыры имеют скорость убегания от поверхности, равную или превышающую скорость света, и критический радиус r ≤ 2 M .

Однако темная звезда способна излучать непрямое излучение - направленный наружу свет и материя могут ненадолго покинуть поверхность с радиусом r = 2 M , прежде чем снова быть захваченными, и, находясь за пределами критической поверхности, могут взаимодействовать с другим веществом или ускоряться без влияния звезда посредством таких взаимодействий. Темная звезда, следовательно, имеет разреженную атмосферу «приезжих частиц», и этот призрачный ореол материи и света может излучать, хотя и слабо. Кроме того, поскольку в ньютоновской механике возможны скорости , превышающие скорость света , частицы могут улетучиваться.

Радиационные эффекты

Темная звезда может излучать непрямое излучение, как описано выше. Черные дыры, как они описываются современными теориями квантовой механики, излучают излучение посредством другого процесса — излучения Хокинга , впервые постулированного в 1975 году. Излучение, испускаемое темной звездой, зависит от ее состава и структуры; , излучение Хокинга Согласно теореме об отсутствии волос обычно считается зависящим только от массы, заряда и углового момента черной дыры, хотя информационный парадокс черной дыры делает это спорным.

Светоизлучающие эффекты

Если в ньютоновской физике действительно существует гравитационное отклонение света ( Ньютон , Кавендиш , Сольднер ), то общая теория относительности предсказывает вдвое большее отклонение светового луча, скользящего по Солнцу. Эту разницу можно объяснить дополнительным вкладом кривизны пространства согласно современной теории: хотя ньютоновская гравитация аналогична пространственно-временным компонентам тензора кривизны Римана общей теории относительности , тензор кривизны содержит только чисто пространственные компоненты, и обе формы кривизны способствуют общему отклонению.

См. также

• Черная дыра
• Магнитосферный вечно коллапсирующий объект
• Q-звезда

Ссылки

• Мичелл, Джон (1784 г.), «О средствах обнаружения расстояния, величины и т. д. неподвижных звезд вследствие уменьшения скорости их света в случае, если такое уменьшение должно иметь место в каком-либо из них, а также такие другие данные, которые могут быть получены из наблюдений, если это будет необходимо для этой цели. Преподобный Джон Мичелл, BDFRS, в письме Генри Кавендишу, эсквайру FRS и A.S. , Philosophical Transactions of the Лондонское королевское общество , 74 : 35–57, Bibcode : 1784RSPT...74...35M , doi : 10.1098/rstl.1784.0008 , ISSN   0080-4614 , JSTOR   106576
• Шаффер, Саймон (1979). «Джон Мичелл и черные дыры» . Журнал истории астрономии . 10 : 42–43. Бибкод : 1979JHA....10...42S . дои : 10.1177/002182867901000104 . S2CID   123958527 . Архивировано из оригинала 22 мая 2020 г. Проверено 4 февраля 2016 г.
• Гиббонс, Гэри (28 июня 1979 г.). «Человек, который изобрел черные дыры [его работа выходит из темноты спустя два столетия]». Новый учёный : 1101.
• Израиль, Вернер (1987). «Темные звезды: эволюция идеи». В Хокинге, Стивен В.; Израиль, Вемер (ред.). Триста лет гравитации . стр. 199–276. ISBN  9780521379762 .
• Эйзенштадт, Дж. (декабрь 1991 г.). «Влияние гравитации на распространение света в теории Ньютона. Археология черных дыр. Архив истории точных наук . 42 (4): 315–386. Бибкод : 1991AHES...42..315E . дои : 10.1007/BF00375157 . S2CID   121763556 .
• Торн, Кип (1 января 1995 г.). Черные дыры и искажения времени: возмутительное наследие Эйнштейна (переиздание). WW Нортон и компания . ISBN  978-0-393-31276-8 . См. главу 3 «Черные дыры обнаружены и отвергнуты».