Orizontul evenimentelor

Orizontul evenimentelor este granița în astrofizică , dincolo de care evenimentele nu pot afecta observatorul.

Termenul a fost inventat de Wolfgang Rindler [1] .

În 1784, John Michell a sugerat că în apropierea obiectelor compacte și masive, gravitația ar putea fi atât de puternică încât nici măcar lumina nu o poate depăși. În acel moment, domina teoria newtoniană a gravitației și așa-numita teorie corpusculară a luminii . Conform acestor teorii, dacă a doua viteză cosmică a unui obiect depășește viteza luminii, atunci lumina care îl părăsește se poate îndepărta temporar, dar în cele din urmă se poate întoarce înapoi. În 1958, David Finkelstein a folosit relativitatea generală pentru a introduce o definiție mai riguroasă a orizontului de evenimente local al unei găuri negre ca graniță dincolo de care evenimentele de orice fel nu pot afecta un observator din exterior. Acest lucru a condus la paradoxul informației și paradoxul firewallului , care au determinat o regândire a conceptului de orizonturi de evenimente locale și a noțiunii de gaură neagră. Ulterior, au fost dezvoltate mai multe teorii, atât cu orizont de evenimente, cât și fără. Stephen Hawking , care a fost unul dintre teoreticienii de seamă pentru descrierea găurilor negre, a sugerat utilizarea Orizontului Aparent în locul orizontului evenimentelor, afirmând că „colapsul gravitațional creează orizonturi vizibile, nu orizonturi de evenimente”. El a concluzionat în cele din urmă că „absența unui orizont de evenimente înseamnă absența găurilor negre – în sensul structurilor din care lumina nu poate scăpa la infinit” [2] [3] . Acest lucru nu înseamnă negarea existenței găurilor negre, ci pur și simplu exprimă neîncrederea față de definiția strictă tradițională a orizontului evenimentelor . 

Orice obiect care se apropie de orizont din perspectiva observatorului pare să încetinească și să nu traverseze niciodată orizontul complet [4] . Datorită deplasării către roșu gravitaționale, imaginea sa se înroșește în timp pe măsură ce obiectul se îndepărtează de observator [5] .

În Universul în expansiune, rata de expansiune atinge și chiar depășește viteza luminii, ceea ce împiedică transmiterea semnalelor către unele regiuni. Orizontul de evenimente cosmic este orizontul real de evenimente, deoarece afectează toate tipurile de semnale, inclusiv undele gravitaționale care se deplasează cu viteza luminii.

Tipuri mai specifice de orizonturi includ orizonturi aparente și absolute înrudite, dar distincte găsite în jurul unei găuri negre. Alte tipuri distincte includ orizonturile Cauchy și Killing ; sfere de fotoni și ergosfere ale soluției Kerr ; orizonturi de particule și orizonturi cosmologice , legate de cosmologie ; precum și orizonturi izolate și dinamice , care sunt importante în cercetarea actuală a găurii negre.

Orizontul evenimentelor cosmice

În cosmologie , orizontul de evenimente al universului observabil este cea mai mare distanță mobilă de la care lumina emisă acum poate ajunge vreodată la un observator în viitor. Acesta diferă de orizontul particulelor, care este cea mai mare distanță de comutare de la care lumina emisă în trecut poate ajunge la un observator la un moment dat. Pentru evenimentele dincolo de această distanță, nu există timp suficient pentru ca lumina să ajungă în locația noastră, chiar dacă a fost emisă atunci când a început universul. Evoluția orizontului de particule în timp depinde de natura expansiunii universului . Sub anumite caracteristici de expansiune, vor exista părți niciodată observabile ale universului, indiferent de cât timp așteaptă observatorul să sosească lumina din aceste regiuni. Granița dincolo de care evenimentele nu pot fi observate niciodată este orizontul de evenimente și reprezintă întinderea maximă a orizontului de particule.

Criteriul de determinare a existenței unui orizont de particule pentru Univers este următorul. Introducem distanța de însoțire d p as

În această ecuație, a este factorul de scară , c este viteza luminii , t 0 este vârsta universului. Dacă d p → ∞ (adică punctele sunt îndepărtate în mod arbitrar în măsura în care este posibil de observat), atunci orizontul evenimentelor nu există. Dacă d p ≠ ∞ , atunci orizontul există.

Exemple de modele cosmologice fără un orizont de evenimente sunt universurile dominate de materie sau radiații . Un exemplu de model cosmologic cu un orizont de evenimente este un univers dominat de constanta cosmologică ( universul de Sitter ).

Calculul vitezelor orizonturilor și particulelor de evenimente cosmologice este dat în articolul despre modelul cosmologic Friedman , în care Universul este aproximat ca fiind format din componente care nu interacționează, fiecare dintre acestea fiind un fluid ideal [6] [7] .

Orizontul de evenimente al unei găuri negre


Departe de gaura neagră, particulele se pot deplasa în orice direcție. Ele sunt limitate doar de viteza luminii.

Mai aproape de o gaură neagră, spațiu-timp începe să se deformeze. În unele sisteme de coordonate, există mai multe căi către gaura neagră decât căi către gaura neagră. [Nota 1]

În interiorul orizontului evenimentelor, toate căile conduc particulele către centrul găurii negre. Nu există nicio modalitate ca particulele să scape dintr-o gaură neagră.

Unul dintre cele mai faimoase exemple de orizont de evenimente se găsește în descrierea unei găuri negre în relativitatea generală. O gaură neagră este un obiect ceresc atât de dens încât nicio materie sau radiație din apropiere nu poate scăpa de câmpul gravitațional . Aceasta este adesea descrisă ca limita unde a doua viteză de evacuare a unei găuri negre depășește viteza luminii . Cu toate acestea, o descriere mai detaliată este că în cadrul acestui orizont, toate căile asemănătoare luminii (căile pe care lumina le poate lua), și, prin urmare, toate căile particulelor, sunt curbate în conuri de lumină viitoare în orizont, astfel încât să conducă într-o gaură neagră. Odată ce particula este în interiorul orizontului, mișcarea în gaura neagră este la fel de inevitabil ca și mișcarea înainte în timp - indiferent în ce direcție se mișcă particula. Aceste mișcări pot fi considerate echivalente între ele, în funcție de sistemul de coordonate spațiu-timp utilizat [9] [10] [11] [12] .

Energia, poate, poate lăsa o gaură neagră prin așa-numita. Radiația Hawking , care este un efect cuantic. Dacă da, orizonturile de evenimente adevărate în sens strict nu se formează pentru obiectele prăbușite din universul nostru. Cu toate acestea, deoarece obiectele astrofizice prăbușite sunt sisteme clasice, acuratețea descrierii lor de către modelul clasic al găurii negre este suficientă pentru toate aplicațiile astrofizice imaginabile [13] .

Suprafața definită de raza Schwarzschild acționează ca orizont de evenimente al unui corp nerotitor care se află în acea rază (deși o gaură neagră care se rotește funcționează puțin diferit). Raza Schwarzschild a unui obiect este proporțională cu masa acestuia. Teoretic, orice cantitate de materie va deveni o gaură neagră dacă această materie este comprimată într-un volum care se încadrează în raza Schwarzschild corespunzătoare. Pentru masa Soarelui, această rază este de aproximativ 3 kilometri, iar pentru Pământ , de aproximativ 9 milimetri. În practică, însă, nici Pământul, nici Soarele nu au masa necesară și, prin urmare, forța gravitațională necesară, pentru a depăși presiunea electronului degenerat și a gazului neutron . Masa minimă necesară pentru ca o stea să se prăbușească dincolo de aceste presiuni este în conformitate cu limita Oppenheimer-Volkoff , care este de aproximativ trei mase solare.

Conform modelelor fundamentale ale colapsului gravitațional [14] , orizontul evenimentelor se formează înaintea singularității găurii negre. Dacă toate stelele din Calea Lactee s-ar concentra treptat în centrul galaxiei, menținând în același timp distanțe proporționale unele de altele, toate ar cădea în raza lor comună Schwarzschild cu mult înainte de coliziune [3] . Observatorii dintr-o galaxie înconjurată de un orizont de evenimente vor trăi normal până la prăbușirea în viitorul îndepărtat.

Există o concepție greșită larg răspândită despre orizontul de evenimente al unei găuri negre. O idee comună, deși eronată, este că găurile negre „suge” materia din împrejurimile lor, când de fapt absorb materia ca orice alt corp gravitator. Ca orice masă din Univers, materia absorbită de o gaură neagră trebuie să cadă în zona de influență gravitațională a acesteia cu posibilitatea de captare și consolidare ulterioară cu o altă masă. Nu mai puțin comună este ideea că materia poate fi observată într-o gaură neagră. Nu este adevarat. Potențial, poate fi detectat doar un disc de acreție în jurul unei găuri negre , în care materia se mișcă cu o astfel de viteză încât frecarea creează radiații de înaltă energie care pot fi observate (când o parte din materie este forțată să iasă din discul de acreție de-a lungul axei rotația găurii negre, formând jeturi vizibile atunci când interacționează cu materia, de exemplu, gazul interstelar, sau când axa sa de rotație este îndreptată direct spre Pământ). Mai mult, un observator îndepărtat nu va vedea niciodată ceva ajungând la orizont. I se va părea că pe măsură ce se apropie de gaura neagră, viteza obiectului scade la nesfârșit, în timp ce lumina emisă de obiect va deveni din ce în ce mai roșie.

Orizontul de evenimente al unei găuri negre este de natură teleologică , ceea ce înseamnă că trebuie să cunoaștem întregul spațiu-timp viitor al universului pentru a determina poziția actuală a orizontului, ceea ce este în esență imposibil. Datorită naturii pur teoretice a limitei orizontului de evenimente, un obiect în mișcare nu experimentează neapărat efecte ciudate și trece de fapt prin limita calculată într-un timp propriu finit [15] .

Orizontul aparent al unei particule accelerate

Dacă o particulă se mișcă cu o viteză constantă într-un univers care nu se extinde fără câmpuri gravitaționale, atunci orice eveniment care are loc în acel univers va fi observat în cele din urmă de către particulă, deoarece viitorul con de lumină de la aceste evenimente intersectează linia lumii a particulei . Pe de altă parte, dacă particula accelerează, atunci în unele situații conurile de lumină de la unele dintre evenimente nu traversează niciodată linia mondială a particulei. În aceste condiții, în cadrul de referință al particulei care se accelerează, există un orizont aparent , care este o graniță dincolo de care evenimentele sunt neobservabile.

Diagrama spațiu-timp a acestei situații este prezentată în figura din dreapta. Pe măsură ce particula accelerează, ea se apropie, dar nu atinge niciodată viteza luminii în raport cu cadrul de referință original. Pe diagrama spațiu-timp, calea ei este o hiperbolă care se apropie asimptotic de linia de 45 de grade (calea fasciculului de lumină). Un eveniment a cărui limită a conului de lumină este această asimptotă, sau orice eveniment dincolo de această limită, nu poate fi observat niciodată de o particulă care se accelerează. Există o limită în cadrul de referință al particulei, dincolo de care niciun semnal nu poate trece (orizont aparent).

În timp ce acest tip de aproximare poate apărea în lumea reală (cum ar fi într- un accelerator de particule ), nu există un orizont real de evenimente de acest tip, deoarece necesită ca particulele să accelereze la infinit (care necesită o cantitate infinită de energie).

Alte exemple de orizonturi de evenimente

Interacțiunea cu orizontul evenimentului

Obiectele care îndreaptă către orizontul evenimentului nu îl traversează niciodată din punctul de vedere al observatorului originar (deoarece conul de lumină al evenimentului care traversează orizontul nu intersectează niciodată linia lumii a observatorului ). O încercare de a menține un obiect în apropierea orizontului într-o stare staționară în raport cu observatorul necesită utilizarea unor forțe enorme. Cu cât este mai aproape de orizont, cu atât este necesară mărimea unei astfel de forțe, care în limită crește la nesfârșit (devine infinită).

Pentru cazul unui orizont perceput de un observator care accelerează uniform în spațiul gol, orizontul rămâne la o distanță fixă ​​de observator indiferent de modul în care se mișcă mediul. O modificare a accelerației observatorului poate determina deplasarea orizontului în timp sau poate interfera cu existența orizontului de evenimente, în funcție de funcția de accelerație aleasă. Observatorul nu atinge niciodată orizontul și nu-l traversează niciodată.

Pentru cazul orizontului, așa cum este perceput de un locuitor al universului de Sitter , orizontul se află la o distanță fixă ​​de observatorul inerțial . Chiar și un observator care accelerează nu intră niciodată în contact cu el.

În ceea ce privește orizontul evenimentelor din jurul unei găuri negre, toți observatorii îndepărtați care sunt staționari în raport cu obiectul vor fi aceiași în ceea ce privește locația acestuia. Deși, în principiu, observatorul ar putea aparent să se deplaseze către gaura neagră pe o frânghie (sau tijă) direct la orizont, în practică acest lucru este imposibil. Distanța adecvată până la orizont este finită [16] , deci și lungimea frânghiei necesare ar fi finită, dar dacă frânghia este coborâtă încet (astfel încât fiecare dintre punctele sale să fie în coordonatele Schwarzschild în repaus), accelerația intrinsecă ( g -forța ) experimentată de punctele de pe frânghie, mai aproape de orizont va tinde spre infinit, deci frânghia se va rupe. Dacă frânghia este coborâtă rapid (poate chiar în cădere liberă), atunci observatorul care o apucă de capăt poate ajunge de fapt la orizontul evenimentului și chiar să-l traverseze. Cu toate acestea, va fi imposibil să trageți capătul frânghiei din orizontul evenimentului. Forțele care acționează de-a lungul frânghiei întinse vor crește la infinit pe măsură ce vă apropiați de orizontul evenimentului și, la un moment dat, frânghia se va rupe. În plus, decalajul va fi fixat nu la orizontul evenimentelor, ci înaintea acestuia, în punctul în care un observator din exterior poate observa acest decalaj.

Observatorii care traversează orizontul de evenimente al unei găuri negre pot calcula momentul în care au traversat-o, dar ei înșiși nu vor înregistra sau observa nimic special. În ceea ce privește reprezentarea vizuală, observatorii care cad într-o gaură neagră percep orizontul evenimentelor ca pe o regiune neagră de nepătruns, situată la o oarecare distanță sub ei și înconjurând singularitatea gravitațională [17] . Alte obiecte care se deplasează spre orizont de-a lungul aceleiași traiectorii radiale, dar într-un moment mai devreme, ar fi sub observator, dar încă deasupra poziției vizuale a orizontului, iar dacă căderea lor în gaură ar avea loc destul de recent, observatorul ar putea schimba mesaje. cu ei până la modul în care vor fi distruși în procesul de abordare a singularității [18] . Singurele efecte vizibile la nivel local sunt acumularea de forțe de maree și influența singularității găurii negre. Forțele de maree sunt o funcție a masei găurii negre. Într-o adevărată gaură neagră cu masă stelară, spaghetificarea are loc devreme: forțele mareelor ​​rupe materia înainte de a ajunge la orizontul evenimentelor. Cu toate acestea, în găurile negre supermasive , precum cele găsite în centrele galaxiilor, spaghetificarea are loc în orizontul evenimentelor. Un astronaut va putea supraviețui trecând prin orizontul evenimentelor doar căzând într-o gaură neagră cu o masă care depășește aproximativ 10.000 de mase solare [19] .

Vezi și

Note

Comentarii
  1. ↑ Setul de căi posibile, sau mai precis viitorul con de lumină care conține toate liniile posibile ale lumii (în această diagramă, reprezentate de grilele galben și albastru), au o pantă dată în coordonatele Eddington-Finkelstein (diagrama este un „desen animat” versiunea diagramei Eddington-Finkelstein). În alte coordonate, conurile de lumină sunt înclinate într-un mod diferit, de exemplu în coordonatele Schwarzschild pur și simplu se înclină fără înclinare pe măsură ce se apropie de orizontul evenimentului, iar în coordonatele Kruskal conurile de lumină nu își schimbă deloc forma sau orientarea. [opt]
Surse
  1. ↑ Rindler, W. (1956-12-01). „Orizonturi vizuale în modelele lumii” . Anunțuri lunare ale Societății Regale de Astronomie . 116 (6): 662-677. DOI : 10.1093/mnras/116.6.662 . ISSN  0035-8711 .
  2. ^ Hawking, SW (2014), Conservarea informațiilor și prognoza meteo pentru găurile negre, arΧiv : 1401.5761v1 [hep-th]. 
  3. ↑ 1 2 Curiel, Erik (2019). „Multele definiții ale unei găuri negre”. Astronomia naturii . 3 :27-34. arXiv : 1808.01507v2 . Bibcode : 2019NatAs...3...27C . DOI : 10.1038/s41550-018-0602-1 .
  4. ↑ Chaisson, Eric. Relativ vorbind: relativitatea, găurile negre și soarta universului . - W. W. Norton & Company , 1990. - P.  213 . — ISBN 978-0393306750 .
  5. ↑ Bennett, Jeffrey. Perspectiva cosmică. - Pearson Education , 2014. - P. 156. - ISBN 978-0-134-05906-8 .
  6. ↑ Margalef Bentabol, Berta (21 decembrie 2012). „Evoluția orizonturilor cosmologice într-un univers de concordanță” . Journal of Cosmology and Astroparticle Physics . 2012 (12): 035.arXiv : 1302.1609 . Cod biblic : 2012JCAP ...12..035M . DOI : 10.1088/1475-7516/2012/12/035 .
  7. ↑ Margalef Bentabol, Berta (8 februarie 2013). „Evoluția orizonturilor cosmologice într-un univers cu un număr infinit de ecuații de stare” . Jurnal de Cosmologie și Fizica Astroparticulelor . 2013 (2): 015.arXiv : 1302.2186 . Cod biblic : 2013JCAP ...02..015M . DOI : 10.1088/1475-7516/2013/02/015 .
  8. ↑ Misner, Thorne & Wheeler (1973) , p. 848.
  9. ↑ Hawking, SW The Large Scale Structure of Space-Time / SW Hawking, GFR Ellis . — Cambridge University Press , 1975.
  10. ↑ Misner, Charles. Gravitație / Charles Misner, Kip S. Thorne , John Wheeler . - W. H. Freeman and Company , 1973. - ISBN 978-0-7167-0344-0 .
  11. ↑ Wald, Robert M. Relativitatea generală . - Chicago: University of Chicago Press , 1984. - ISBN 978-0-2268-7033-5 .
  12. ↑ Peacock, JA Cosmological Physics . - Cambridge University Press, 1999. - ISBN 978-0-511-80453-3 . - doi : 10.1017/CBO9780511804533 .
  13. ↑ Serghei Popov. Conservatori extravaganți și excentrici conservatori  // Trinity Variant  : ziar. - 27 octombrie 2009. - Emisiune. 21(40N) . - S. 6-7 .
  14. ↑ Penrose, Roger (1965). „Coapsul gravitațional și singularitățile spațiu-timp”. Scrisori de revizuire fizică . 14 (3). Cod biblic : 1965PhRvL..14 ...57P . DOI : 10.1103/PhysRevLett.14.57 .
  15. ↑ Joshi, Pankaj (2016). Paradoxurile găurii negre. Jurnalul de fizică: Seria de conferințe . 759 (1): 12-60. arXiv : 1402.3055v2 . Cod biblic : 2016JPhCS.759a2060J . DOI : 10.1088/1742-6596/759/1/012060 .
  16. ↑ Misner, Thorne & Wheeler (1973) , p. 824.
  17. ↑ Călătorie într-o gaură neagră Schwarzschild . jila.colorado.edu .
  18. ↑ Scufundați-vă în gaura neagră . casa.colorado.edu .
  19. ↑ Hobson, Michael Paul; Efstathiou, George; Lasenby, Anthony N. 11. Schwarzschild black holes // Relativitatea generală: O introducere pentru fizicieni  (engleză) . - Cambridge University Press , 2006. - P. 265. - ISBN 0-521-82951-8 .

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii