Mis on must auk? Mis on ürituste horisont?

Küsimus: Mis on must auk?

Mis on must auk? Millal tekivad mustad augud? Kas teadlased näevad musta auku? Mis on musta augu "sündmuste horisont"?

Vastus: Must auk on teoreetiline üksus, mida ennustatakse valemiga üldrelatiivsus. Must auk moodustub siis, kui piisava massiga täht läbib gravitatsiooni, suurema osa või kogu selle massist kokkusurutud piisavalt väikeseks ruumi alaks, põhjustades sellel hetkel lõpmatu kosmose kumeruse (a "singulaarsus"). Selline tohutu kosmoseaja kumerus ei lase mitte mingil, isegi mitte valgel, põgeneda sündmuse horisondi või piiri tagant.

Mustaid auke pole kunagi otseselt täheldatud, ehkki nende mõju prognoosid on vaatlustega ühtinud. Nende tähelepanekute selgitamiseks on olemas käputäis alternatiivseid teooriaid, nagu näiteks magnetosfäärilised igavesti põrkuvad objektid (MECO), millest enamik väldib kosmoseaega singulaarsus musta augu keskpunktis, kuid enamus füüsikuid usub, et musta augu seletus on kõige tõenäolisem füüsiline kujutis sellest, mis on toimub.

1700. aastatel leidsid mõned, et supermassiivne objekt võiks sinna valgustada. Newtoni optika oli valguse korpuskulaarne teooria, käsitledes valgust osakestena.

John Michell avaldas 1784. aastal paberi, milles ennustatakse, et objekti, mille raadius on 500 korda suurem kui päikese (kuid sama tihedusega), evakuatsioonikiirus on valguse kiirus selle pinnal ja seega nähtamatu. Huvi teooria vastu suri 1900. aastatel, kuna valguse laineteooria võttis tähtsuse.

Kui kaasaegses füüsikas viidatakse harva, nimetatakse neid teoreetilisi üksusi "tumedateks tähtedeks", et eristada neid tõelistest mustadest aukudest.

Kuude jooksul pärast Einsteini üldrelatiivsusteooria avaldamist 1916. aastal töötas füüsik Karl Schwartzchild välja lahenduse Einsteini sfäärilise massi võrrandile (mida nimetatakse Schwartzchildi mõõdik)... ootamatute tulemustega.

Raadiust väljendaval terminil oli häiriv omadus. Tundus, et teatud raadiuse korral muutub termini nimetaja nulliks, mis tingib selle termini matemaatilise "puhumise". See raadius, mida nimetatakse Schwartzchildi raadius, r_s, on määratletud järgmiselt:

r_s = 2 GM/ c²

G on gravitatsioonikonstant, M on mass ja c on valguse kiirus.

Kuna Schwartzchildi töö osutus mustade aukude mõistmisel ülioluliseks, on veider kokkusattumus, et nimi Schwartzchild tõlgib "musta kilpi".

Objekt, mille kogu mass M asub sees r_s peetakse mustaks auguks. Sündmuse horisont on nimi, mis on antud r_s, sest sellest raadiusest on musta augu raskusest väljumiskiirus valguse kiirus. Mustad augud tõmmake mass gravitatsioonijõudude kaudu sisse, kuid ükski sellest massist ei pääse kunagi välja.

Musta auku seletatakse sageli objekti või massiga, mis sinna "kukub".

Y Kellad X kukuvad musta augu sisse

• Y täheldab X-il idealiseeritud kellade aeglustumist, külmutades õigel ajal, kui X tabab r_s
• Y jälgib valgust X punasest nihkest, ulatudes lõpmatuseni r_s (seega muutub X nähtamatuks - ometi võime nende kellasid ikkagi näha). Ei ole teoreetiline füüsika suurejooneline?)
• X tajub teoreetiliselt märgatavat muutust, ehkki kui see ületatakse r_s on võimatu, et see pääseb kunagi musta augu raskusest. (Isegi valgus ei pääse sündmushorisondist.)

1920. aastatel järeldasid füüsikud Subrahmanyan Chandrasekhar, et kõik tähed, mis on massiivsemad kui 1,44 päikese massi ( Chadrasekhari limiit) peab üldrelatiivsuse tingimustes kokku kukkuma. Füüsik Arthur Eddington uskus, et mõni vara hoiab ära varisemise. Mõlemal oli õigus, omal moel.

Robert Oppenheimer ennustas 1939. aastal, et supermassiivne täht võib kokku variseda, moodustades nii looduses, mitte ainult matemaatikas "külmunud tähe". Näib, et kokkuvarisemine aeglustub, külmutades selle ületanud kohas tegelikult ajaliselt r_s. Tärn tähelt on raske punane nihe kell r_s.

Kahjuks pidasid paljud füüsikud seda ainult eripära sümmeetrilise olemuse tunnuseks Schwartzchildi meetrika, uskudes, et looduses sellist kokkuvarisemist tegelikult ei toimu tänu asümmeetria.

Alles 1967 - ligi 50 aastat pärast r_s - et füüsikud Stephen Hawking ja Roger Penrose näitasid, et mitte ainult mustad augud olid üldrelatiivsuse otsene tulemus, vaid ka seda, et sellist kokkuvarisemist ei olnud võimalik peatada. Pulsarite avastamine toetas seda teooriat ja varsti pärast seda lõi füüsik John Wheeler 29. detsembril 1967 loengus nähtuse jaoks mõiste "must auk".

Hilisem töö on hõlmanud Hawkingi kiirgus, milles mustad augud võivad kiirgust eraldada.

Mustad augud on valdkond, mis tõmbab välja teoreetikuid ja eksperimente, kes soovivad väljakutset. Täna on peaaegu üldine kokkulepe, et mustad augud on olemas, kuigi nende täpne olemus on endiselt küsitav. Mõned usuvad, et mustadesse aukudesse sattuv materjal võib uuesti ilmneda kusagil mujal universumis, nagu näiteks a puhul ussiauk.

Üks märkimisväärne lisand mustade aukude teooriasse on see Hawkingi kiirgus, mille on välja töötanud Briti füüsik Stephen Hawking aastal 1974.