الفلك

هل يحتوي الثقب الأسود بالضرورة على تفرد؟

هل يحتوي الثقب الأسود بالضرورة على تفرد؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أقوم ببناء هذه الفرضية على نظريات حول كيف أن مراقبًا خارجيًا يشاهد شيئًا ما يسقط في ثقب أسود لن يرى شيئًا يمر عبر أفق الحدث. وثانيًا أنه من منظور الشيء الذي يسقط فيه ، فإن الكون المحيط سيتسارع ليرى نهاية الكون.

في تلك النقطة الثانية ، فإن "نهاية الكون" حسب فهمي ستكون حتى يتبخر الثقب الأسود.


لذا فإن السؤال. هل من الممكن أن يتشكل أفق الحدث؟ ليس بالضرورة من التفرد ، ولكن بمجرد وجود كتلة مضغوطة كافية داخل الحدود يتشكل منها أفق الحدث؟


سيكون التضمين من هذا ، إذا كان له أي ميزة ، في رأيي ، أنه لا توجد فرادات في الوجود حاليًا وأنه قد لا توجد أبدًا أبدًا ، لأنني حاليًا لا أفهم كيف يمكن لشيء ما "داخل" الثقب الأسود تتحرك على الإطلاق (أفترض أن القيام بذلك ستحتاج الكتلة إلى التحرك أسرع من الضوء) ، مما يشير إلى أن كتلة البقايا النجمية بأكملها عالقة في مكانها داخل أفق الحدث وعلى سطحه.

تحرير: إعادة قراءة تلك الفقرة الأخيرة التي أربكت نفسي قليلاً ، لن تكون الكتلة بالضرورة "عالقة" ، لكن إذا تحركت على الإطلاق ، فستكون تتحرك بسرعة الضوء ، وهي مفارقة في حد ذاتها؟


نعم ، سيتشكل أفق الحدث بمجرد أن تتجاوز سرعة الهروب سرعة الضوء. لا يتطلب بالضرورة تفردًا بداخله.

ومع ذلك ، لا توجد فيزياء معروفة تسمح لأي كائن لا يشبه النقطة بالوجود داخل أفق الحدث. من الصعب أن نرى كيف يمكن لأي قوى تقليدية أن تدعم شيئًا ما في مثل هذه الحالة ، وبالنسبة لميكانيكا الكم ، فنحن ببساطة لا نملك النظرية التي يمكن أن تكون صالحة في مثل هذا المجال الجاذبي العالي.


هل يحتوي كل ثقب أسود على تفرد؟ هل ينتقل الصوت أسرع في الفضاء؟ هل يمتد تأثير الجاذبية إلى الأبد؟ تبدو المجرات ثابتة ، فلماذا يقول العلماء إنها تدور؟ هل زار الأجانب الأرض من قبل؟ هل لاحظ علماء الفلك يومًا تحولًا بنفسجيًا مثل تغيرات زرقاء وتحولات حمراء؟ ما مدى سطوع شعاع الليزر عند النظر إليه من الجانب؟ كيف يمكن لعلماء الفلك معرفة الأشياء على وجه اليقين لأنهم ينظرون إلى الفضاء من نقطة واحدة فقط؟ كيف يمكن أن يبقى أي شيء في الكون؟ ألا تمتص الثقوب السوداء كل شيء فيها؟ كيف يمكنك إلغاء صدمة البداية السريعة؟ كيف يمكنك تمييز الثقب الأسود المكون من المادة المضادة من الثقب الأسود المكون من المادة؟ كيف تجعله المجسات الفضائية تتجاوز حزام الكويكبات دون أن تصطدم بالكويكبات؟ كيف تطير سفن الفضاء أسرع من الضوء؟

قانون أوم هو صيغة تستخدم لحساب العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في الدائرة الكهربائية. بالنسبة لطلاب الإلكترونيات ، يعتبر قانون أوم (E = IR) مهمًا بشكل أساسي مثل معادلة أينشتاين النسبية (E = mc²) بالنسبة للفيزيائيين. E = I x R.

تفسير:


كل ثقب أسود يحتوي على كون جديد

يوجد في مركز المجرة الحلزونية M81 ثقب أسود هائل كتلته أكبر بحوالي 70 مليون مرة من شمسنا.

NASA / CXC / Wisconsin / D.Boley & amp CfA / A.ZezasNASA / ESA / CfA / A.Zezas NASA / JPL-Caltech / CfA / J.Huchra et al. ناسا / مختبر الدفع النفاث- معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / CfA

يقدم Inside Science Minds سلسلة مستمرة من كتاب الأعمدة الضيف ووجهات النظر الشخصية التي يقدمها العلماء والمهندسون وعلماء الرياضيات وغيرهم في مجتمع العلوم لعرض بعض الأفكار الأكثر إثارة للاهتمام في العلوم اليوم. الآراء الواردة في هذه المقالة هي آراء المؤلف ولا تعكس بالضرورة آراء Inside Science أو المعهد الأمريكي للفيزياء والجمعيات الأعضاء فيه.

(ISM) - قد يوجد كوننا داخل ثقب أسود. قد يبدو هذا غريباً ، لكنه قد يكون في الواقع أفضل تفسير لكيفية بدء الكون ، وما نلاحظه اليوم. إنها نظرية تم استكشافها خلال العقود القليلة الماضية من قبل مجموعة صغيرة من الفيزيائيين بمن فيهم أنا.

على الرغم من نجاحها ، هناك أسئلة ملحوظة لم يتم حلها مع نظرية الانفجار الأعظم القياسية ، والتي تشير إلى أن الكون بدأ كـ "تفرد" مستحيل على ما يبدو ، نقطة صغيرة بلا حدود تحتوي على تركيز عالٍ غير محدود من المادة ، وتتوسع في الحجم إلى ما نلاحظه اليوم. تملأ نظرية التضخم ، وهي توسع فائق السرعة للفضاء تم اقتراحه في العقود الأخيرة ، العديد من التفاصيل المهمة ، مثل سبب اندماج الكتل الطفيفة في تركيز المادة في الكون المبكر في الأجرام السماوية الكبيرة مثل المجرات وعناقيد المجرات.

لكن هذه النظريات تترك الأسئلة الرئيسية دون حل. على سبيل المثال: ما الذي بدأ الانفجار الكبير؟ ما الذي تسبب في إنهاء التضخم؟ ما هو مصدر الطاقة المظلمة الغامضة التي تتسبب على ما يبدو في تسريع تمدد الكون؟

فكرة أن كوننا محصور بالكامل داخل ثقب أسود تقدم إجابات لهذه المشاكل وغيرها الكثير. إنه يقضي على فكرة التفردات المستحيلة جسديًا في كوننا. وهو يعتمد على نظريتين مركزيتين في الفيزياء.

الأول هو النسبية العامة ، النظرية الحديثة للجاذبية. يصف الكون بأكبر المقاييس. أي حدث في الكون يحدث كنقطة في الزمان والمكان ، أو الزمكان. جسم ضخم مثل الشمس يشوه الزمكان أو "منحنياته" ، مثل كرة البولينج الموضوعة على قماش. يغير تأثير جاذبية الشمس حركة الأرض والكواكب الأخرى التي تدور حولها. يبدو لنا سحب الشمس من الكواكب كقوة الجاذبية. والثاني هو ميكانيكا الكم ، الذي يصف الكون بأصغر المقاييس ، مثل مستوى الذرة. ومع ذلك ، فإن ميكانيكا الكم والنسبية العامة هما حاليًا نظريتان منفصلتان سعى علماء الفيزياء إلى الجمع بين الاثنين بنجاح في نظرية واحدة عن "الجاذبية الكمية" لوصف الظواهر المهمة بشكل مناسب ، بما في ذلك سلوك الجسيمات دون الذرية في الثقوب السوداء.

تكيف للنسبية العامة في الستينيات من القرن الماضي ، يسمى نظرية أينشتاين-كارتان-سياما-كيبل للجاذبية ، يأخذ في الاعتبار التأثيرات من ميكانيكا الكم. إنه لا يوفر خطوة نحو الجاذبية الكمية فحسب ، بل يؤدي أيضًا إلى صورة بديلة للكون. يتضمن هذا الاختلاف في النسبية العامة خاصية كمومية مهمة تُعرف باسم الدوران. تمتلك الجسيمات مثل الذرات والإلكترونات دورانًا ، أو الزخم الزاوي الداخلي الذي يماثل المتزلج الذي يدور على الجليد.

في هذه الصورة ، يتفاعل السبين في الجسيمات مع الزمكان ويمنحه خاصية تسمى "الالتواء". لفهم الالتواء ، تخيل الزمكان ليس كقماش ثنائي الأبعاد ، ولكن كقضيب مرن أحادي البعد. يتطابق ثني القضيب مع انحناء الزمكان ، والتواء القضيب يتوافق مع التواء الزمكان. إذا كان القضيب رفيعًا ، يمكنك ثنيه ، لكن من الصعب معرفة ما إذا كان ملتويًا أم لا.

سيكون التواء الزمكان مهمًا فقط ، ناهيك عن ملاحظته ، في الكون المبكر أو في الثقوب السوداء. في هذه البيئات القاسية ، يظهر التواء الزمكان كقوة منفرة تقاوم قوة الجاذبية الجذابة القادمة من انحناء الزمكان. كما هو الحال في النسخة القياسية للنسبية العامة ، ينتهي الأمر بالنجوم الضخمة للغاية بالانهيار في الثقوب السوداء: مناطق من الفضاء لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب منها.

إليكم كيفية حدوث الالتواء في اللحظات الأولى لكوننا. في البداية ، من شأن الجاذبية من الفضاء المنحني أن تتغلب على قوى التواء التنافر ، مما يؤدي إلى انهيار المادة إلى مناطق أصغر من الفضاء. ولكن في النهاية سيصبح الالتواء قويًا جدًا ويمنع المادة من الانضغاط إلى نقطة ذات كثافة لا نهائية ستصل إلى حالة من الكثافة الكبيرة للغاية ولكنها محدودة. نظرًا لأنه يمكن تحويل الطاقة إلى كتلة ، فإن طاقة الجاذبية العالية جدًا في هذه الحالة شديدة الكثافة ستؤدي إلى إنتاج مكثف للجسيمات ، مما يزيد بشكل كبير من الكتلة داخل الثقب الأسود.

ستؤدي الأعداد المتزايدة من الجسيمات ذات الدوران إلى مستويات أعلى من التواء الزمكان. سيوقف الالتواء المثير للاشمئزاز الانهيار ويخلق "ارتدادًا كبيرًا" مثل كرة الشاطئ المضغوطة التي تنطلق إلى الخارج. قد يكون الارتداد السريع بعد هذا الارتداد الكبير هو ما أدى إلى توسع كوننا. تتطابق نتيجة هذا الارتداد مع ملاحظات شكل الكون وهندسته وتوزيع كتلته.

في المقابل ، تشير آلية الالتواء إلى سيناريو مذهل: كل ثقب أسود سينتج كونًا طفلًا جديدًا بداخله. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن المادة الأولى في كوننا جاءت من مكان آخر. لذلك يمكن أن يكون كوننا هو الجزء الداخلي من ثقب أسود موجود في كون آخر. مثلما لا يمكننا رؤية ما يحدث داخل الثقوب السوداء في الكون ، فإن أي مراقب في الكون الأصلي لا يمكنه رؤية ما يحدث في عالمنا.

ستحدث حركة المادة عبر حدود الثقب الأسود ، والتي تسمى "أفق الحدث" ، في اتجاه واحد فقط ، مما يوفر اتجاهًا زمنيًا نتصور أنه يتحرك للأمام. وبالتالي ، فإن سهم الزمن في كوننا سيرث ، من خلال الالتواء ، من الكون الأصلي.

أخيرًا ، يمكن أن يكون الالتواء مصدر "الطاقة المظلمة" ، وهي شكل غامض من الطاقة يخترق كل الفضاء ويزيد من معدل تمدد الكون. تنتج الهندسة مع الالتواء بشكل طبيعي "ثابتًا كونيًا" ، وهو نوع من القوة الخارجية الإضافية التي تُعد أبسط طريقة لتفسير الطاقة المظلمة. وبالتالي ، فإن التوسع المتسارع المرصود للكون قد ينتهي به الأمر إلى أن يكون أقوى دليل على الالتواء.


2 إجابات 2

الكمية المهمة المرتبطة بالثقب الأسود هي منطقة أفق الحدث. الحجم الموجود بالداخل ليس ما قد يعتقده المرء على أنه $ V = 4 pi r ^ 3/3 $. المزيد عن الحجم لاحقًا. الكمية المهمة هي مساحة أفق الحدث. والسبب هو أنه من وجهة نظر المراقب الخارجي فإن هذا هو حد الملاحظة. يُلاحظ أن كل ما يقع في الثقب الأسود يتسع أو يتباطأ فتراته الزمنية المرصودة على مدار الساعة لأن الإشعاع الذي ينبعث منه يتحول إلى اللون الأحمر بشكل عشوائي.

يعطي مقياس Schwarzschild لثقب أسود غير دوار كتلته $ M $ عنصر الخط $ ds ^ 2 = left (1 - frac <2m> right) dt ^ 2 - left (1 - frac <2m> right) ^ <-1> dr ^ 2 - r ^ 2d Omega ^ 2

م = GM / ج ^ 2. $ للأشعة الصفرية لدينا الفاصل الزمني صفر $ ds = 0 $ وننتقل إلى حساب وقت الساعة $ t $ على إطار إحداثيات قياسي لمراقب بعيد جدًا للوقت الذي يستغرقه الفوتون للهروب شعاعيًا من مسافة ما $ R $ تشكل ثقبًا أسود $ int ^ Tdt = int_R ^ infty left (1 - frac <2m> right) dr = R - 2m ln (R - 2m) $ من الواضح أن هذا يصبح لانهائيًا مثل $ R rightarrow 2m $. وهذا يعني فيزيائيًا أن كل ما تسبب في تكوين الثقب الأسود ، بما في ذلك النجم الأصلي الذي انفجر فيه ، "يتم لصقه" مباشرةً فوق أفق الحدث. يبدو الأمر كما لو أن الثقب الأسود يحتوي على طبقة جيولوجية لهيكل كعكة لكل ما يدخل فيه. لاحظ أنه لا توجد إشارة على الإطلاق إلى أي شيء في الداخل. الراصد من الخارج ، وهو المكان الحكيم للبقاء إذا كنت ترغب في البقاء على قيد الحياة ، يشهد كل شيء عن الثقب الأسود كما هو مثبت في أفق الحدث ، وهذا هو أحد أسس مبدأ التصوير المجسم.

كل الأشياء التي يتكون منها الثقب الأسود تشكل إنتروبيا الثقب الأسود. إنتروبيا Bekenstein لمنطقة أفق حدث الثقب الأسود $ S = k

لا يمكن الوصول إلى الجزء الداخلي من الثقب الأسود إلا لمن يدخلونه. هذا هو الحال على الأقل بالنسبة للثقب الأسود الكلاسيكي. بالنسبة للثقب الأسود الكمومي ، قد تكون هناك بعض التقلبات في الأفق والتي تجعل المعلومات الكمومية للثقب الأسود تراكبًا لحالات في الداخل والخارج. لن أخوض في ذلك الآن. بالنسبة لثقب Schwarzschild الأسود النقي ، يكون مخطط Penrose أفق الحدث كما يراه مراقب في كوننا على اليمين. بمجرد عبور الأفق ينشطر الأفق الذي يفصل داخل الثقب الأسود عن كوننا والأفق الآخر الذي يفصل الكون الآخر عن الداخل. في هذا الرسم التخطيطي للثقب الأسود الأبدي ، والذي يعد نوعًا من المثالية الرياضية ، تتباعد الآفاق بشكل لانهائي. هذا يعني أن المنطقة المكانية في الداخل تنمو وتصبح كبيرة بشكل لا نهائي عند التفرد $ r = 0 $.

يمكنني أن أذهب أبعد من ذلك في كيفية تشويش هذا التمثال الرياضي للثقب الأسود الأبدي بسبب انهيار النجم وإشعاع هوكينغ. سيقطع السطح المنفجر للنجم هذا المخطط إلى نصفين وستنمو المنطقة بين سطح المادة والأفق بشكل عشوائي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن إشعاع هوكينغ يقطع حجم المسافة بين السطح المنهار والأفق ، أو بين هذين الأفقيين المنفصلين. حجم هذا يتعلق بتكرار Poincare الكمي والتعقيد الكمي للنظام ، والذي يقودنا إلى منطقة ضخمة من البحث الحالي.

ما يحدث في داخل الثقب الأسود هو إذن فضول ، ولن نعرف أبدًا ما يحدث في داخل ثقب أسود كبير. إنهم بعيدون جدًا ، وهذا شيء جيد ، والطبيعة الكلاسيكية لهم تجعل الوصول إلى الداخل مستحيلًا. بالنسبة للثقوب السوداء الكمومية ، أو على الأرجح نظير QCD لـ AdS / الثقوب السوداء ، قد نتمكن من عمل استنتاجات من التراكب الكمي للحالات الخارجية والداخلية.


10 إجابات 10

ولكن إذا كنت تريد الاختيار ، فيمكنني أن أزعم أنه عندما ينهار نجم ليشكل BH ، فإنه يشكل أولاً أفقاً قبل أشكال التفرد (لا يمكن أن يشكل "تفردًا عارياً"). وبما أن الوقت داخل الأفق متجمد بشكل أساسي فيما يتعلق بملاحظ خارجي ، فإن التفرد لا يتشكل أبدًا. ومع ذلك ، من وجهة نظر النجم المنهار ، فإن التفرد يتشكل في حوالي ملي ثانية بعد الأفق.

في النسبية العامة الكلاسيكية ، بمجرد تشكل أفق الحدث ، فإن كل جسيم داخل أفق الحدث هذا سوف ينتقل حتمًا في اتجاه مركز الثقب الأسود. هذا هو المقصود بـ "الانهيار التثاقلي" وكيف تشكل المادة فرادة في المركز - بغض النظر عن صغرها ، أو مدى قربها من المركز ، فلا شيء يمكن أن يمنعها من الاقتراب من المركز أكثر من أي وقت مضى. من وجهة نظر الكائن نفسه ، فإنه يصل إلى المركز في وقت محدد.

في بعض نظريات الفيزياء الأكثر غرابة ، مثل نظرية الأوتار أو الجاذبية الكمية الحلقية ، تأتي الطبيعة الكمية للمكان والزمان للإنقاذ وتمنع التفرّد من التكوّن ، لذلك يتم الوصول إلى أقصى كثافة محدودة ويتم الحفاظ على التوازن في المركز. هذا مشابه من الناحية المفاهيمية لما تصفه ، لكنه لا يزال مادة أكثر غرابة وأكثر كثافة بكثير من مادة النجوم النيوترونية.

الكثافة التي نتحدث عنها هنا ستكون تقريبًا كتلة بلانك واحدة لكل طول بلانك مكعب ، بمعنى آخر 2.176 51 × 10 ^ −8 كجم / (1.616 199 × 10 ^ −35 م) ^ 3

= 5.15556 ^ 96 كجم / م ^ 3 ، حيث تكون مادة النجم النيوتروني "فقط" (تقريبًا) 10 ^ 18 كجم / م ^ 3.

ومع ذلك ، في كلتا الحالتين ، خارج أفق الحدث ، يمكن التعامل مع الثقب الأسود رياضيًا ورصديًا على أنه تفرد بسيط ، لذلك بالنسبة لحسابات الرصد ، لا توجد "قيمة مضافة" في القلق بشأن الأعمال الداخلية للثقب الأسود. النظرية التي تصف هذا تسمى بالعامية "الثقوب السوداء ليس لها شعر." تم إثبات هذه النظرية وصياغها بواسطة جون ويلر ، الفيزيائي نفسه الذي صاغ عبارة "الثقب الأسود" في المقام الأول.


هل يحتوي الثقب الأسود بالضرورة على تفرد؟ - الفلك

إذا كان لدينا في بداية الكون تفرد ، فهل هذا يعني أن كل ثقب أسود لديه القدرة على تكوين كون كما نعرفه؟

لا. إن التفرد هو في الحقيقة مفهوم رياضي أكثر من كونه كيانًا ماديًا. صحيح أن الرياضيات التي تصف كلاً من الثقوب السوداء والانفجار العظيم تحتوي على تفردات ، لكنها غير مرتبطة. أيضًا ، الثقب الأسود كتلته أكبر بعدة مرات من شمسنا ، أو في حالة تلك الموجودة في مراكز المجرات ، بضعة ملايين شمس. من الواضح أن الكون أكبر بكثير.

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في 27 حزيران (يونيو) 2015.

عن المؤلف

لورا سبيتلر

كانت لورا شبيتلر طالبة دراسات عليا تعمل مع البروفيسور جيم كوردس. بعد تخرجها في عام 2013 ، التحقت بزمالة ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك في بون ، ألمانيا. تعمل في مجموعة من المشاريع التي تنطوي على تباين زمني للمصادر الراديوية ، بما في ذلك النجوم النابضة والأقزام البيضاء الثنائية و ETI. وهي مهتمة على وجه الخصوص ببناء الأدوات الرقمية وتطوير تقنيات معالجة الإشارات التي تسمح بتحديد المصادر المؤقتة وتصنيفها بسهولة أكبر.


تكشف الصورة المذهلة للثقب الأسود عن نفاثات غامضة "تنفخ المادة آلاف السنين الضوئية في الفضاء"

تم الكشف عن صورة جديدة لثقب أسود ، تكشف عن دوامة الفوضى المغناطيسية المحيطة به.

أعطت اللقطة التي نشرها العلماء هذا الأسبوع نظرة فاحصة على كيفية تفاعل الثقب الأسود فائق الكتلة M87 مع المادة المحيطة به.

إنها الصورة الأكثر حدة حتى الآن للوحش الكوني ، الذي يقع في مركز مجرة ​​M87 على بعد 55 مليون سنة ضوئية من الأرض.

أصدر فريق Event Horizon Telescope (EHT) أول صورة لثقب أسود في عام 2019 ، كاشفة عن هيكل يشبه الحلقة الساطعة مع منطقة مركزية مظلمة توصف بالثقب الأسود & # x27s الظل.

لاحظ الباحثون صورًا لمجالات مغناطيسية على حافة الثقب الأسود وحافة # x27s ، حيث تقع بعض المادة فيها.

وفي الوقت نفسه ، يتم إطلاق مادة أخرى في الفضاء على شكل نفاثات قوية ومشرقة تمتد على بعد 5000 سنة ضوئية على الأقل ، إلى ما وراء المجرة التي يوجد فيها الثقب الأسود.

باستخدام نفس البيانات المستخدمة في الصورة الأولى ، حلل التعاون مع كلية لندن الجامعية (UCL) الضوء المستقطب حول الثقب الأسود - وهو الضوء الذي تهتز موجاته في اتجاه واحد فقط.

يصبح الضوء مستقطبًا عند انبعاثه في المناطق الساخنة من الفضاء الممغنطة.

من خلال النظر في الكيفية التي أصبح بها الاستقطاب ، يمكن لعلماء الفلك التعرف على المادة التي أنتجتها.

يقرّب الدليل الجديد الباحثين من فهم كيفية إنتاج هذه النفاثات الغامضة ، وكيف يبدو أن الحقول المغناطيسية تعمل على إبقاء الغاز الساخن بعيدًا عن الثقب الأسود ، مما يساعده على مقاومة الجاذبية والسحب.

قال الدكتور زيري يونسي ، المؤلف المشارك وعالم الفلك بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، إن هذه القياسات الرائدة تزودنا برؤى جديدة ومثيرة حول العمليات الفيزيائية التي تتغذى من خلالها الثقوب السوداء على المادة ، وكيف أنها قادرة على تشغيل مثل هذه التدفقات النسبية الهائلة مثل النفاثات الفيزيائية الفلكية.

& quot. على وجه الخصوص ، يلمحون إلى الدور الذي تلعبه المجالات المغناطيسية في هذه العمليات. & quot

قال الدكتور جيسون ديكستر ، من جامعة كولورادو ، بولدر ، الولايات المتحدة: `` تشير الملاحظات إلى أن الحقول المغناطيسية عند الثقب الأسود وحافة الثقب الأسود قوية بما يكفي لدفع الغاز الساخن للخلف ومساعدته على مقاومة الجاذبية والسحب.

& quot؛ فقط الغاز الذي ينزلق عبر الحقل يمكن أن ينزلق إلى الداخل نحو أفق الحدث. & quot

EHT هو تعاون دولي تم إنشاؤه لتصوير ثقب أسود من خلال ربط ثمانية تلسكوبات راديوية أرضية على مستوى العالم لصنع تلسكوب افتراضي بحجم الأرض بحساسية ودقة غير مسبوقة.

الدقة حادة بما يكفي لقياس برتقالة على القمر من الأرض.

يقع الثقب الأسود في الصورة في مجرة ​​تسمى Messier 87 أو M87. كتلته 6.5 مليار مرة كتلة الشمس.

تعد النفاثات الساطعة للطاقة والمادة التي ينتجها الثقب الأسود واحدة من أكثر ميزات المجرة & # x27s غموضًا.

ما هو الثقب الأسود؟ الحقائق الرئيسية

ما هو الثقب الأسود؟

  • الثقب الأسود هو منطقة من الفضاء لا يستطيع أي شيء الهروب منها
  • هذا & # x27s لأن لديهم تأثيرات جاذبية قوية للغاية ، مما يعني أنه بمجرد دخول شيء ما في الثقب الأسود ، يمكن & # x27t العودة للخارج
  • لقد حصلوا على أسمائهم لأنه حتى الضوء يمكن & # x27t الهروب بمجرد امتصاصه - وهذا هو السبب في أن الثقب الأسود مظلمة تمامًا

ما هو أفق الحدث؟

  • يجب أن تكون هناك نقطة تكون فيها & # x27re قريبًا جدًا من الثقب الأسود بحيث يمكنك الهروب # x27t
  • وإلا لكان كل شيء في الكون قد امتص إلى واحد
  • النقطة التي لا يمكنك عندها الهروب من الثقب الأسود & # x27s سحب الجاذبية تسمى أفق الحدث
  • يختلف أفق الحدث بين الثقوب السوداء المختلفة ، اعتمادًا على كتلتها وحجمها

ما هو التفرد؟

  • تفرد الجاذبية هو مركز الثقب الأسود
  • إنها نقطة ذات بعد واحد تحتوي على كتلة كبيرة بشكل لا يصدق في مساحة صغيرة للغاية
  • عند التفرد ، تنحني منحنيات الزمكان بشكل لانهائي وتكون قوة الجاذبية قوية بلا حدود
  • تتوقف قوانين الفيزياء التقليدية عن التطبيق في هذه المرحلة

كيف يتم إنشاء الثقوب السوداء؟

  • تتكون معظم الثقوب السوداء عندما يموت نجم عملاق
  • يحدث هذا عندما تنفد النجوم من الوقود - مثل الهيدروجين - لتحترق ، مما يتسبب في انهيار النجم
  • عندما يحدث هذا ، تسحب الجاذبية مركز النجم إلى الداخل بسرعة ، وتنهار في كرة صغيرة
  • يتمدد ويتقلص حتى الانهيار النهائي ، مما يتسبب في انهيار جزء من النجم إلى الداخل بفضل الجاذبية ، وينفجر باقي النجم إلى الخارج.
  • الكرة المركزية المتبقية كثيفة للغاية ، وإذا كانت كثيفة بشكل خاص ، فستحصل على ثقب أسود

تقع معظم المواد القريبة من حافة الثقب الأسود ، لكن بعض الجسيمات المحيطة تفلت قبل لحظات من الالتقاط.

ثم تطايروا بعيدًا في الفضاء على شكل نفاثات.

اعتمد علماء الفلك على نماذج مختلفة لكيفية تصرف المادة بالقرب من الثقب الأسود لفهم هذه العملية بشكل أفضل.

لكنهم ما زالوا لا يعرفون بالضبط كيف يتم إطلاق نفاثات أكبر من المجرة من منطقتها المركزية ، وهي صغيرة الحجم مثل النظام الشمسي ، ولا كيف تسقط المادة بالضبط في الثقب الأسود.

يقول الباحثون إن الملاحظات توفر معلومات جديدة حول بنية المجالات المغناطيسية خارج الثقب الأسود.

ووجدوا أن النماذج النظرية فقط التي تتميز بغاز ممغنط بقوة يمكنها تفسير ما يرونه في أفق الحدث.

تم وصف الملاحظات الجديدة في ورقتين نشرتا في The Astrophysical Journal Letters.


الإجابات والردود

& quot نظهر أن التفرد يتم استبداله بالارتداد الذي تكون فيه التأثيرات الكمية مهمة وأن مدى المنطقة عند الارتداد حيث يبتعد المرء عن النسبية العامة الكلاسيكية يعتمد على البيانات الأولية. & quot

اقتراح جيد شلايكه!
http://arxiv.org/abs/0712.0817 ورقة بحثية حديثة من جامبيني بولين وكامبيجليا.
جيم جرابر ، تسأل & quotهل تم نشر أي شيء؟& quot تم نشر الكثير في هذا الاتجاه العام. هنا بعض المراجع. هذا بعيد عن الاكتمال. أنا أستثني الأوراق التي تتعامل فقط مع الأفق أو الخارج. هذه عينة من الأوراق الحلقية المتعلقة بالثقب الأسود الداخلي.

تم نشر عدد لا بأس به من هذه الأوراق في رسائل المراجعة البدنية أو في المراجعة الجسدية د.
http://www.slac.stanford.edu/spires/find/hep/www؟rawcmd=FIND+a+Bojowald+AND+DK+BLACK+HOLE+AND+DATE+٪3E2004&FORMAT=www&SEQUENCE=citecount٪28d٪29 [ مكسور]

1) الهندسة الكمية وتفرد Schwarzschild.
Abhay Ashtekar (Penn State U. & amp Potsdam، Max Planck Inst.)، Martin Bojowald (Potsdam، Max Planck Inst. & amp Penn State U.). IGPG-05-09-01 ، AEI-2005-132 ، سبتمبر 2005. 31pp.
تم النشر في Class.Quant.Grav.23: 391-411،2006.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0509075
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | تم الاستشهاد به 48 مرة

2) تبخر الثقب الأسود: نموذج.
أبهاي أشتيكار (ولاية بنسلفانيا ، الولايات المتحدة) ، مارتن بوجوالد (بوتسدام ، معهد ماكس بلانك ، ولاية بنسلفانيا الأمريكية). IGPG04-8-4 ، AEI-2004-072 ، أبريل 2005. 18pp.
تم النشر في Class.Quant.Grav.22: 3349-3362،2005.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0504029
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 39 مرة

3) عتبة كتلة الثقب الأسود من غير مفرد انهيار الجاذبية الكمومية.
مارتن بوجوالد (بوتسدام ، معهد ماكس بلانك) ، ريتوبارنو جوسوامي (تاتا إنست.) ، روي مارتن (بورتسموث يو ، آي سي جي) ، بارامبريت سينغ (ولاية بنسلفانيا). AEI-2005-020 ، IGPG-05-3-3 مارس 2005. 4pp.
نُشر في Phys.Rev.Lett.95: 091302،2005.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0503041
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 34 مرة

4) غير مناطقي الثقوب السوداء ودرجات الحرية في الجاذبية الكمية.
مارتن بوجوالد (بوتسدام ، معهد ماكس بلانك). AEI-2005-115 ، يونيو 2005. 4pp.
نُشر في Phys.Rev.Lett.95: 061301،2005.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0506128
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 27 مرة

5) هندسة الكم المتماثلة كروياً: القيد الهاميلتوني.
مارتن بوجوالد ، رافال سوايدرسكي (بوتسدام ، معهد ماكس بلانك). AEI-2005-171 ، NI05065 ، نوفمبر 2005. 33pp.
تم النشر في Class.Quant.Grav.23: 2129-2154،2006.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0511108
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 19 مرة

المزيد هنا:
ابحث عن DK LOOP SPACE و DK BLACK HOLE AND DATE & GT2005

6) وظائف الموجة لثقب Schwarschild الأسود الداخلية.
دانيال كارتين (الأكاديمية البحرية. المدرسة الإعدادية ، نيوبورت) ، غوراف خانا (ماساتشوستس يو ، نورث دارتموث). فبراير 2006. 14pp.
نُشر في Phys.Rev.D73: 104009،2006.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0602025
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 5 مرات

9) ديناميات الكم الحلقية من Schwarzschild الداخلية.
كريستيان ج. بوهمر (جامعة لندن وبورتسموث يو. ، آي سي جي) ، كيفن فاندرسلوت (بورتسموث يو ، آي سي جي ، ولاية بنسلفانيا ، الولايات المتحدة). سبتمبر 2007. 15pp.
نُشر في Phys.Rev.D76: 104030،2007.
e-Print: arXiv: 0709.2129 [gr-qc]
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 5 مرات

10) انهيار الجاذبية في حلقة الجاذبية الكمية.
ليوناردو موديستو (بولونيا يو. & أمبير ؛ إن إن ، بولونيا). أكتوبر 2006. 16pp.
نُشرت في Int.J.Phys.47: 357-373،2008.
الطباعة الإلكترونية: gr-qc / 0610074
المراجع | لاتيكس (الولايات المتحدة) | لاتيكس (الاتحاد الأوروبي) | هارفماك | BibTeX | الكلمات الأساسية | استشهد 4 مرات

الجنة! لا أعرف لأنني أوصي أي شخص بقراءة هذه المقالات. ربما باستثناء ما قاله شلايكا. يعد جامبيني بولين كامبيجليا واحدًا حديثًا ومختصر وواضح نسبيًا. جيم: أنا معجب بطاقتك وفضولك وأنا سعيد جدًا لأنك تخطط لسؤال الأشخاص المناسبين في اجتماع وكالة الأنباء الجزائرية.

جيم الذي سألته هل تم نشر أي شيء بخصوص هذا؟ لقد أدرجت تلك الأشياء فقط لأعرض بشكل ملموس عينة من ما تم نشره. لكنني لا أعتقد أننا البشر لدينا أي فكرة جيدة جدًا عما يحدث أسفل الثقب الأسود وكل هذا العمل يجب بالضرورة أن يكون تمهيديًا. الأشخاص الذين يفعلون ذلك ، إذا كانوا جيدين ، ربما يدركون هذا أفضل من أي شخص آخر.

ما أعتقده هو أن الهندسة والمادة هما في الأساس نفس الشيء وينشأان من نفس المجهرية الأساسية D.O.F. أشياء.
عندما يكون مضغوطًا جدًا ، يختفي التمييز بين المادة والفضاء وينزل المرء إلى درجة حرارة مجهرية من الحرية ، التي لا نعرف حتى الآن كيف نمذجتها رياضيًا.

أعتقد أنه نفس النوع من الأشياء التي كانت موجودة في وقت Bigbang ، في بداية التوسع. أي أن المادة تسبق علم الكونيات الكلاسيكي. والسبب في أن الناس يطلقون عليه اسم FOAM هو أنه بواسطة Heisenberg كانت الهندسة ستكون فوضوية للغاية وغير ناعمة ويصعب تحديدها.

نقطة النهاية لشيء أكثر وأكثر تعقيدًا هي شيء بسيط تمامًا - أطلق عليه اسم الرغوة ، أو بلانك جوو ، أو حريق هرقليطس. أو لا تسميها شيئًا لأننا لا نملك حتى الآن نموذجًا رياضيًا موثوقًا به ، لذلك لا يوجد استعارة مقنعة. إنه ليس & quot؛ مثل & quot؛ أي شيء حتى الآن.

هذا مجرد موقفي في الوقت الحالي.

========================
ولد هرقليطس ج. عام 540 قبل الميلاد ، توفي أفسس في الأناضول (سلجوق الآن ، طور.] ج. 480

تذكر الفيلسوف اليوناني لعلم الكونيات الخاص به ، والذي فيه تشكل النار مبدأ المادة الأساسية لكون منظم. لا يُعرف الكثير عن حياته ، وفقد الكتاب الوحيد الذي كتبه على ما يبدو. بقيت آرائه في الأجزاء القصيرة التي اقتبسها ونسبها إليه مؤلفون لاحقون.

ماركوس منحاز قليلاً نحو طريقة واحدة في التفكير (كما أنا ، باعتراف الجميع). قد تجد أكثر إثارة للاهتمام الورقة التالية حول نموذج `` fuzzball '' الذي اقترحه سمير ماثور.

تحل الصورة العديد من مشاكل فيزياء الثقوب السوداء التقليدية ، وبعضها موجود بشكل عام في مناهج أخرى للجاذبية الكمومية.

إحدى وجهات النظر الأخرى التي تم تقديمها مؤخرًا هي وجهة نظر كريستوف شيلر (الشخص المسؤول عن كتاب الفيزياء المدرسية المجاني & quotMotion Mountain & quot).

في الورقة الثانية من سلسلته المكونة من أربعة (& quot؛ النسبية العامة والجرافيتونات وعلم الكونيات المستخلص من الكيانات الممتدة & quot) ، يتابع لوصف طريقة منطقية تزيل الثقب الأسود والتفردات العالمية (الانفجار العظيم).

قد يختلف الرأي ، وبقدر ما أعرف ، لم تتم مراجعة هذا العمل من قبل الأقران حتى الآن. حتى ذلك الحين ، وجدت أنه قد يكون من المفيد وصف أنماط التفكير الكامنة وراء محاولات قياس الزمكان ، وهي أيضًا مراجعة جيدة للمعادلات الأكثر أهمية التي تم تجربتها وتقديرها واقتباسها المتعلقة بالنسبية العامة.

مما يمكنني جمعه ، قد تصنف طريقة شيلر على أنها كرة زغب.

ملاحظة. أنا منحاز بشكل طبيعي نحو أساليب لعبة fuzzball في الغالب لأنني أحب القطط حقًا وهم عمومًا كرات زغب صغيرة لطيفة أيضًا. باستثناء تلك التي لا أصل لها - فهي أشبه بمفردات عارية ، على ما أعتقد. :)

محادثات القضاء على تفرد الجاذبية الكمية.

لقد سمعت أمس محادثات أبهاي وغاري. في الأساس ، لم يُقال أي شيء لم يُنشر من قبل. اتفق كلاهما على أن التفردات ربما يتم التخلص منها عن طريق الجاذبية الكمية. تحدث أبهاي في الغالب عن علم الكونيات ، لكنه قال خلال فترة السؤال إن أشياء مماثلة تنطبق على الثقوب السوداء ولكن العمل لم يكن متقدمًا وأن الصورة على جانب ما بعد الانهيار لا تزال بحاجة إلى تفاصيل. لكنه قال إنه متأكد من عدم وجود تفرد. قال جاري أيضًا إن العمل الأخير لم يؤيد التفردات ، لكنه قال إنه كان لديه حجتان قويتان فقط ، وليس دليلًا. كانت إحدى الحجج ، في المقام الأول بسبب إيفا سيفرشتاين ، مضطربة واستندت إلى تكاثف تاكيون الذي يضغط بسلاسة على الفضاء قبل الوصول إلى التفرد. استندت الحجة الأخرى غير المضطربة إلى ازدواجية مالداسينا وخلصت إلى أن الثقب الأسود لا يمكن أن يوجد لأن أفق حدث الانزياح الأحمر اللامتناهي لا يمكن أن يوجد دون تناقض وصف مالداسينا المزدوج. خلال فترة التعليق قال أبهاي إنه يشك في الحجة الثانية لأنها كانت تعتمد بشكل كبير على التحليل. ومضى يقول إنه يعتقد أيضًا أنه لا يوجد أفق للحدث ، فقط أفق منعزل أو أفق ديناميكي. لقد قرأت أو سمعت هذا من قبل ، لكنني اعتقدت أن هذا كان مجرد تقنية رياضية. ومع ذلك ، بدا أن أبهاي يعتقد أنه جزء ضروري من القضاء على التفرد. من المحتمل أن أنشر المزيد لاحقًا حول حجم "Planck goo".
العبارة الرئيسية هي "كثافة بلانك" ، وليس "طول بلانك".
وداعا الآن. أفضل،
جيم جرابر

أعتقد أن السؤال الأساسي هو: هل يمكن أن يكون ضغط الإشعاع الشديد هو آلية الدعم داخل الثقب الأسود؟ أعتقد أنه من المنطقي أنه عندما ينهار نجم فوق العديد من الكتل الشمسية ، تتفكك النيوترونات في اللب إلى إشعاع وبعض مادة الكوارك. مع استمرار الانهيار وارتفاع درجة الحرارة ، تتحول جميع المواد تقريبًا إلى إشعاع. إذا كان الإشعاع موجودًا في النظام ، فيجب أن يكون ضغط الإشعاع P = pc * 2 ، حيث p هي كثافة الكتلة المكافئة للإشعاع. يعمل الإشعاع المحتوي ، الذي له كتلة ، بشكل أساسي كغاز مضغوط يمكن أن يولد ضغوطًا تتجاوز ضغط انهيار النيوترون.

كما أفهم معادلة TOV ، فإن dP / dr يتناسب مع p + P ، مما يعني أنه إذا كانت P عالية بما يكفي فهناك انهيار جامح. لا أعتقد أن أينشتاين قبل هذه المعادلة لأنه لم يؤمن بتفرد نقطة.

هذا يذكرني بورقة كتبها Krasnov و Rovelli حيث خلصوا إلى أن & quotلمراقب في ما لا نهاية"الثقب الأسود وُصف إلى حد ما بهذه الطريقة. كانت مساحة هيلبرت لحالات BH هي مساحة التوائم من بعض الحجم التي تحددها منطقة الأفق. So a BH state (for an observer at infinity) would be an intertwiner.

But maybe there isn't yet one clear answer in the LQG context. I did a spires search on keywords "black hole and quantum gravity, loop space" and came up, for instance, with this:


Singularity Minded: The Black Hole Science that Won a Nobel Prize

The 2020 Nobel prize in physics has been jointly awarded to Roger Penrose, Reinhart Genzel, and Andrea Ghez for their contributions to our understanding of black holes — the Universe’s most mysterious and compact objects. Whilst Genzel and Ghez claim their share of the most celebrated prize in physics for the discovery of a supermassive compact object at the centre of our galaxy — an object that we would later come to realize was a supermassive black hole which was later named Sagittarius A* (Sgr A*) — Penrose is awarded his share for an arguably more fundamental breakthrough.

Sir Roger Penrose has been awarded the 2020 Nobel Prize in physics for his work revolutionising our theories regarding black holes and reshaping general relativity. (Robert Lea)

The Nobel is awarded to Penrose based on a 1965 paper in which he mathematically demonstrated that black holes arise as a direct consequence of the mathematics of Einstein’s theory of General Relativity. Not only this but for a body of a certain mass, the collapse into a singularity wasn’t just possible, or even probable. If that collapse could not be halted, singularity formation, Penrose argued, is inevitable.

“For the discovery, that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity”

The Nobel Commitee awards the 2020 prize in physics to Sir Roger Penrose

The fact that Penrose showed that black holes mathematically emerge from general relativity may seem even more revolutionary when considering that the developer of general relativity — a geometric theory of gravity that suggests mass curves the fabric of spacetime — Albert Einstein did not even believe that black holes actually existed.

It was ten years after Einstein’s death in April 1955 when Penrose showed that singularities form as a result of the mathematics of general relativity and that these singularities act as the ‘heart’ of the black hole. At this central–or gravitational–singularity, Penrose argued, all laws of physics displayed in the outside Universe ceased to apply.

The paper published in January 1965 — just eight years after Penrose earned his Ph.D. from The University of Cambridge — ‘Gravitational Collapse and Spacetime Singularities’ is still widely regarded as the second most important contribution to general relativity after that of Einstein himself.

Yet, Penrose wasn’t the first physicist to mathematically unpick general relativity and discover a singularity. Despite this, his Penrose Singularity Theorem is still considered a watershed moment in the history of general relativity.

Black Holes: A Tale of Two Singularities

“A black hole is to be expected when a large massive body reaches a stage where internal pressure forces are insufficient to hold the body apart against the relentless inward pull of its own gravitational influence.”

Roger Penrose, The Road to Reality

Black holes are generally regarded as possessing two singularities a coordinate singularity and an ‘actual’ gravitational singularity. Penrose’s work concerned the actual singularity, so named because unlike the coordinate singularity, it could not be removed with a clever choice of coordinate measurement.

That doesn’t mean, however, that the coordinate singularity is unimportant or even easy to dismiss. In fact, you may already be very familiar with the coordinate singularity, albeit under a different name — the event horizon. This boundary marks the point where the region of space defined as a black hole begins, delineating the limit at which light can no longer escape.

The discovery of the event horizon occurred shortly after the first publication of Einstein’s theory of general relativity in 1915. In 1916, whilst serving on the Eastern Front in the First World War astrophysicist Karl Schwarzschild developed the Schwarzschild solution, which described the spacetime geometry of an empty region of space. One of the interesting features of this solution — a coordinate singularity.

The coordinate singularity — also often taking a third more official name as the Schwarzschild radius (Rs) — exists for all massive bodies at r =Rs = 2GM/c². This marks the point where the escape velocity of the body is such that not even light can escape its grasp. For most cosmic bodies the Schwarzschild radius falls well within its own radius (ص). For example, the Sun’s روبية occurs at a radius of about 3km from the centre compared to an overall radius of 0.7 million km.

Thus, the Schwarzschild radius or event horizon marks the boundary of a light-trapping surface. A distant observer could see an event taking place at the edge of this surface, but should it pass beyond that boundary — no signal could ever reach our observer. An observer falling with the surface, though, would notice nothing about this boundary.

The passing of روبية would just seem a natural part of the fall to them despite it marking the point of no return. To the distant observer… the surface would freeze and become redder and redder thanks to the phenomena of gravitational redshift — also the reason the event horizon is sometimes referred to as the surface of infinite redshift.

The very definition of a black hole is a massive body whose surface shrinks so much during the gravitational collapse that its surface lies within this boundary. But, what if this collapse continues? When does it reach a central singularity at the heart of the black hole–r= 0 for the mathematically inclined?

Birthing a Black Hole

“We see that the matter continues to collapse inwards through the surface called the event horizon, where the escape velocity indeed becomes the speed of light. Thereafter, no further information from the star itself can reach any outside observer, and a black hole is formed.”

Roger Penrose, The Road to Reality

Penrose and other researchers have found that the equations of general relativity open the possibility that a body may undergo a complete gravitational collapse — shrinking to a point of almost infinite density — and become a black hole.

In order for this to happen, however, a series of limits have to be reached and exceeded. For example, planets are unable to undergo this gravitational collapse as the mass they possess is insufficient to overcome the electromagnetic repulsion between their consistent atoms — thus granting them stability.

Likewise, average-sized stars such as the Sun should also be resistant to gravitational collapse. The plasma found at the centre of stars in this solar-mass range is believed to be roughly ten times the density of lead protecting from complete collapse, whilst the thermal pressure arising from nuclear processes and radiation pressure alone would be sufficient to guarantee a star of low to intermediate-mass stability.

For older, more evolved stars in which nuclear reactions have ceased due to a lack of fuel. It’s a different story. Especially if they have a mass ten times greater than the Sun.

It was suggested as early as the 1920s that small, dense stars — white dwarf stars — were supported against collapse by phenomena arising from quantum mechanics called degeneracy.

This ‘degeneracy pressure’ arises from the Pauli exclusion principle, which states that fermions such as electrons are forbidden from occupying the same ‘quantum state’. This led a physicist called Subrahmanyan Chandrasekhar to question if there was an upper limit to this protection.

In 1931, Chandrasekhar proposed that above 1.4 times the mass of the Sun, a white dwarf would no longer be protected from gravitational collapse by degeneracy pressure. Beyond this boundary— unsurprisingly termed the Chandrasekhar limit — gravity overwhelms the Pauli exclusion principle and gravitational collapse continues unabated.

Cross Section of A Black Hole (©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

The discovery of neutrons — the neutral partner of protons in atomic nuclei — in 1932 led Russian theorist Lev Landau to speculate about the possibility of neutron stars. The outer part of these stars would contain neutron-rich nuclei, whilst the inner sections would be formed from a ‘quantum-fluid’ comprised of mostly neutrons.

Again, neutron stars would be protected against gravitational collapse by degeneracy pressure — this time provided by this neutron fluid. In addition to this, the greater mass of the neutron in comparison to the electron would allow neutron stars to reach a greater density before undergoing collapse.

To put this into perspective, a white dwarf with the mass of the Sun would be expected to have a millionth of our star’s volume — giving it a radius of
5000 km roughly that of the Earth. A neutron star of a similar mass though, that would have a radius of about 20km — roughly the size of a city.

By 1939, Robert Oppenheimer had calculated that the mass-limit for neutron stars would be roughly 3 times the mass of the Sun. Above that limit — again, gravitational collapse wins. Oppenheimer also used general relativity to describe how this collapse appears to a distant observer. They would consider the collapse to take an infinitely long time, the process appearing to slow and freeze as the star’s surface shrinks towards the Schwarzschild radius.

Straight to the Heart: The Inevitability of the cental singularity

“So long as Einstein’s picture of classical spacetime can be maintained, acting in accordance with Einstein’s equation then a singularity will be encountered within a black hole. The expectation is that Einstein’s equation will tell us that this singularity cannot be avoided by any matter in the hole…”

Roger Penrose, The Road to Reality

For Penrose, the mathematical proof of a physical singularity at the heart of a black hole arising from this complete collapse was not enough. He wanted to demonstrate the singularity and the effects on a spacetime that would arise there. He did so with the use of ‘light cones’ travelling down a geodesic — an unerringly straight line. In the process, he unveiled the anatomy of the black hole.

Lightcones: A Physicist’s Favorite Tool (Robert Lea)

A light cone is most simply described as the path that a flash of light created by a single event and travelling in all directions would take through spacetime. Light cones can be especially useful when it comes to physicists calculating which events can be causally linked. If a line can’t be drawn between the two events that fits in the light cone, one cannot have caused the other.

We call a line emerging from a lightcone a ‘world-line’–these move from the central event out through the top of the cone–the future part of the diagram. The worldline shows the possible path of a particle or signal created by the event at the origin of the lightcone. Throwing a light cone at a black hole demonstrates why passing the event horizon means a merger with the central singularity is inevitable.

Penrose considered what would happen to a light cone as it approached and passed the event horizon of what is known as a ‘Kerr black hole.’ This is a black hole that is non-charged and rotating. Its angular momentum drags spacetime along with it in an effect researchers call frame dragging.

Far from the black hole, light is free to travel with equal ease in any direction. The lightcones here have a traditionally symmetrical appearance which represents this.

Using Lightcones to Probe Black Holes ((©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences))

However, towards the static limit — the point at which the black hole starts to drag spacetime around with it — the lightcones begin to tip towards the singularity and in the direction of rotation and narrow. Thus the static limit represents the point at which light is no longer free to travel in any direction. It must move in a direction that doesn’t oppose the rotation of the black hole. Particles at this limit can no longer sit still — hence the name static limit.

Yet, despite the fact the dragging effect is so strong, here that not even light can resist it, signals can escape this region — it isn’t the event horizon — but they can only do so by travelling in the direction of the rotation.

Interestingly, Penrose suggests that particles entering the static limit and decaying to two separate particles may result in energy leaching from the black hole in what is known as the Penrose process, but that’s a discussion for another time.

Probing Black Holes with Lightcones (Robert Lambourne/ Robert Lea)

So as our light cone moves toward the event horizon, it begins to narrow and tip. But, something extraordinary happens when it passes this boundary. As long as one is using so-called Swartzchild coordinates, once ‘inside the black hole’ proper, the lightcone flips on its side, with the ‘future end’ of the cone pointed towards the singularity.

This can mean only one thing for the worldline of that event, it points to the central singularity signalling that an encounter with that singularity is evitable.

The Anatomy of a Black Hole

“It is generally believed that the spacetime singularities of gravitational collapse will necessarily always lie within an event horizon, to that whatever happens to be the extraordinary physical effects at such a singularity, these will be hidden from the view of any external observer.”

Roger Penrose, The Road to Reality

Black holes aren’t particularly complex in construction and posses only three properties –mass, electric charge, and angular momentum–but physicists working with light cones were able to determine the layers of their anatomy–and crucially, the bounded surfaces that exist within them.
This is what was revolutionary about Penrose’s concepts, they introduced the concept of bounded surfaces to black holes.

The structure of a Kerr (rotating) Black Hole. (Robert Lambourne/ Robert Lea)

Looking back on this from an era in which a black hole has been imaged for the first time and gravitational waves are beginning to be routinely measured from the mergers of such objects, it’s important to not underestimate the importance of Penrose’s findings.

Before any practical developments surround black holes could even be dreamed of, Roger Penrose provided the mathematical basis to not just suggest the existence of black holes, but also laying the groundwork for their anatomy, and the effect they have on their immediate environment.

Thus, what Penrose’s Nobel award can really be seen as a recognition of moving these objects — or more accurately, spacetime events — from the realm of speculation to scientific theory.

The first-ever image of a black hole was released 2019 came decades after Roger Penrose demonstrated such spacetime events are inevitable in the ungoverned collapse of a star with enough mass. (Event Horizon Telescope collaboration et al)

Original research and further reading

Penrose. R., ‘Gravitational Collapse and Space-Time Singularities,’ Physical Review Letters, vol. 14, Issue 3, pp. 57-59, [1965]

Penrose. R., ‘The Road to Reality,’ Random House, 2004

Senovilla. J. M. M., Garfinkle. G., ‘The 1965 Penrose Singularity Theorem,’ Classical and Quantum Gravity, [2015].

Relativity, Gravitation and Cosmology, Robert J. Lambourne, Cambridge Press, 2010.

Relativity, Gravitation and Cosmology: A basic introduction, Ta-Pei Cheng, Oxford University Press, 2005.

Extreme Environment Astrophysics, Ulrich Kolb, Cambridge Press, 2010.

Stellar Evolution and Nucleosynthesis, Sean G. Ryan, Andrew J. Norton, Cambridge Press, 2010.


Black holes and the singularity

I don't think there's a "mainstream" answer to this current physics simply breaks down at a singularity. Mainstream science can say what a black hole does, but not what it is, and given that mainstream science also expects a singularity to be behind an event horizon, there is no way to distinguish between alternative ideas.

I do not consider it proven yet that black holes actually occur. There is certainly solid observational evidence that extremely massive but compact objects exist which must be black holes if General Relativity remains accurate even in such extreme cases. The first LIGO detection also confirmed that the physical sizes of such objects must be close to the predictions for black holes of a few stellar masses. However, some of those objects behave in ways which are difficult to reconcile with the GR predictions of black holes, for example apparently having intense magnetic fields or having X-ray luminosity which appears to far exceed the theoretical maximum from current black hole models.

If these objects aren't in fact black holes, then one way to tell would be that a collision between them would give off a significant amount of electromagnetic radiation as well as gravitational radiation, so when the Fermi Gamma-Ray Space Telescope team claimed an apparent observation of a gamma-ray burst (close to the limit of detectability) associated with the first LIGO detection I found that very interesting, although that result was controversial and marginal. I hope that LIGO will get some more strong results soon to allow further checking for possible correlated GRBs.


شاهد الفيديو: الى عالم اخر وزمان اخر: في قلب ثقب اسود (شهر فبراير 2023).