Original: http://www.phys.vt.edu/~jhs/faq/blackholes.html

Автор: Д-р Джон Сімонетті із Факультету фізики Технологічного університету штату Вірджинія.

---

1. Чому деякі зірки перетворюються на чорні діри? [Або] Що означає принцип виключення повинні зробити з зіркою, стає чи ні чорної діри?
2. Як у чорній дірі змінюється час?
3. Чи застосовується до чорної діри рівняння E=mc^2?
4. Якщо нічого не рухається зі швидкістю світла, крім світла, то як чорна діра також тягнути світло в себе?
5. Який найкращий доказ існування чорних дір? Чи це насправді лише теорія?
6. Я чув, що чорна діра “відригає” світло і випромінювання щоразу, коли щось потрапляє в її горизонту подій. Що це означає і чому це відбувається?
7. Чи можна побачити чорну діру? Як виглядає чорна діра?
8. Наскільки великою може стати чорна діра?
9. Наскільки малою може бути чорна діра?
10. [З посиланням на відповідь на питання 1 вище.] Чому не внутрішні електронні сили зірки збільшення з тією ж швидкістю, що й гравітаційні сили?
11. Чи буде спостерігач падіння в чорну діру бути в змозі спостерігати всі майбутні події у Всесвіті поза чорної діри?
12. Чи можуть чорні діри використовуватися як джерело енергії?
13. Я десь читав, що в ДУЖЕ віддаленому майбутньому чорні діри могли протекти і розійтися. Чи може це статися? Якщо він може, як?

---

Чому деякі зірки перетворюються на чорні діри?

Відповідь включає в себе гравітацію і внутрішній тиск усередині зірки. Ці дві речі протистоять один одному – сила тяжіння зірки, що діє на шматок матерії на поверхні зірки буде хотіти, щоб викликати це питання, щоб потрапити всередину, але внутрішній тиск зірки, діючи назовні на поверхні, потрібно буде щоб привести справу літати назовні. Коли ці два збалансовані (тобто рівних по силі) зірка не буде підтримувати його розмір: ні розвалу не має права продовжувати. Так йде справа для Сонця в даний момент, і навіть, якщо на те пішло, для Землі.

Проте, коли зірка вичерпує ядерне паливо, і, отже, продовжує втрачати енергію з поверхні (вона випромінює енергію світла), а не замінюючи втрачену енергію за рахунок ядерного синтезу (не більше ядерного палива), сила тяжіння переможе над внутрішнім тиск і зірка буде скорочуватися повільно або швидко зруйнуватися в залежності від деталей внутрішньої структури і складу. Сила тяжіння перемагає внутрішній тиск зірки, так як, що тиск виробляється нормальним, гарячим газом, і що газ втрачає енергію, як зірка випромінює енергію з поверхні.

Зірка може, таким чином, в кінцевому підсумку, як чорна діра. Це просто залежить від того, чи ні зупиняється колапс в якийсь один раз меншого розміру іншого джерела тиску (крім того, що виробляється нормальним, гарячим газом) може стати досить сильним, щоб збалансувати внутрішню гравітаційну силу. Існують і інші форми тиску, крім виробленого гарячого газу. При натисканні рукою на столі зверху дозволить вам випробувати один з цих тисків – стіл штовхає вгору проти вас, насправді він може підтримувати свою вагу (гравітаційної сили)! Тиск, який тримає стіл жорсткий проти вашої ваги викликається сил між атомами в столі.

Крім того, електрони всередині атомів повинні уникати один одного (наприклад, вони не можуть все бути в тому ж атомному “орбіті” — це називається “принцип виключення”). Тому, якби ми мали колекцію вільно рухаються вони також уникають один одного: чим сильніше ви стискаєте збір (менший обсяг вони обмежені в), тим більше вони бунтують проти віджимають — тиск протистоїть ваше утримання електронів.

Це “уникнення електрон” тиск може стати тільки досить, щоб протистояти силам гравітації всередині зірки близько маси Сонця сильним, коли зірка стискається під дією сили тяжіння до діаметра Землі. Таким чином, зірка масивніше Сонця можна запобігти перетворенню чорної діри, коли вона падає до розмірів Землі, а внутрішній “уникнення електрон” тиску (так званий “виродженого електронного тиску”) стає досить сильним, щоб утримувати зірку вгору. Такий тиск не залежить від вмісту енергії зірки —- навіть якщо зірка продовжує втрачати енергію від її поверхні, тиск буде продовжувати утримувати зірку вгору. Наше Сонце ніколи не може стати чорною дірою.

Проте, якщо зірка є більш масивною, чимось на зразок 3-х до 5 мас Сонця, то її гравітаційні сили будуть більше, а його внутрішнє вироджених електронне тиск ніколи не буде достатньо, щоб зупинити його крах. Виявляється, що нейтрони можуть також підкорятися принципом виключення і нейтрони будуть проведені в достатку, коли зникнення масивної зірки, але навіть нейтрон Виродження не може зупинити колапс масивних зірок – нічого більше 3 до 5 сонячних мас не можна зупинити, його стане чорна діра відповідно до чинного мислення.

Як у чорній дірі змінюється час?

Так, у певному сенсі він не змінюється. Якщо ви повинні були увійти в чорну діру, ви знайшли б ви цокання годинника разом з тією ж швидкістю, як це завжди було (припускаючи, що і ви, і годинник пережили прохід в чорну діру). Тим не менш, ви б швидко падати у напрямку до центру, де ви будете вбиті величезними приливними силами (наприклад, сила тяжіння у вас ноги, якщо ти впав ноги спочатку, було б набагато більше, ніж у вас голова, і ви б бути розтягнуті один від одного ).

Хоча наші дні як помічено не змінить свою швидкість цокає, так само, як в спеціальній теорії відносності (якщо ви знаєте що-небудь про це), хтось побачить іншу швидкість цокаючий на годиннику, ніж зазвичай, і ви побачите їх годинник, щоб бути цокає на інший, ніж звичайні ставки. Наприклад, якби ви були станції самостійно тільки за межами чорної діри, в той час як ви б знайти свої власні годинник цокає з нормальною швидкістю, ви б побачили годинник свого друга на великій відстані від отвору, щоб бути цокає на набагато більш швидкими темпами ніж ваша. Той друг побачить його власні годинник цокає з нормальною швидкістю, але бачити ваші годинник будуть тікати на набагато більш повільними темпами. Таким чином, якщо ви залишилися в безпосередній близькості від чорної діри на деякий час, а потім повернувся приєднатися до вашого друга, ви виявите, що один був у віці більше, ніж у вас було під час поділу.

Чи застосовується до чорної діри рівняння E=mc^2?

Рівняння E=mc^2 завжди справджується. У разі чорної діри, наприклад, було припущення, що чорні діри можуть, через квантовомеханіческоц трик, випромінювати енергію, і в процесі їх маса буде тому зменшуватися.

Якщо нічого не рухається зі швидкістю світла, крім світла, то як чорна діра також тягнути світло в себе?

Який найкращий доказ існування чорних дір? Чи це насправді лише теорія?

Астрономи виявили півдюжини або так подвійних зоряних системах (дві зірки обертаються навколо один одного), де одна з зірок не видно, але це повинно бути там, так як він тягне з достатньою кількістю сили тяжіння на інший видимої зірки, щоб зробити цю зірку орбіту навколо їх загальний центр ваги і маса невидимої зірки значно більше, ніж 3-х до 5 сонячних мас. Тому ці невидимі зірки, як вважають, щоб бути хорошими кандидатами чорні діри. Існує також доказ того, що надмасивні чорні діри (близько 1 млрд сонячних мас) існують в центрах багатьох галактик і квазарів. У цьому останньому випадку інші пояснення виходу енергії на квазарів не такі хороші, як пояснення, використовуючи сверхмассивную чорну діру. (Ви бачите, коли матерія падає в гравітаційному полі, його швидкість і, отже, енергія, зростає. Якщо багато речовини падає в той же час, і закрученою навколо чорної діри в диску, схожий на затор в тупику, то тертя між різними частинами матерії перетворяться велика частина цієї швидкості енергії підняв під час падіння в тепло, яке, ніж отримує випромінюваної геть. Таким чином, матерія, що оточує надмасивна чорна діра може випромінювати більше енергії на грам палива, ніж може бути звільнений від будь-якої іншої механізм, ми знаємо, в тому числі ядерного синтезу.)

Я чув, що чорна діра “відригає” світло і випромінювання щоразу, коли щось потрапляє в її горизонту подій. Що це означає і чому це відбувається?

Я не впевнений, що людина має на увазі, але я візьму здогадуватися. Вони можуть бути з посиланням на те, що відбувається, як матеріал потрапляє в чорну діру, через дію аккреционного диска. Оскільки велика кількість матеріалу наближаються до чорної діри, матеріал, як правило, знайти себе в орбітальному дископодібної структури з отвором в центрі (тобто, він буде виглядати як-небудь сильно перевантаженому сонячної системи). Диск буде дуже жарко через тертя між матеріалом з різними орбітальними швидкостями в дещо інший орбітальних радіусів. Таким чином, диск буде випромінювати багато світла. Значна частина надходить кінетичної енергії матеріалу випромінюється через це тертя випромінює тепло, світло процесу. Це те, що призводить до дуже великої яскравості квазарів, і цей процес є те, що робить нас здатними (можливо) знайти зоряної маси чорних дір, які є частиною подвійної зоряної системи. В останньому випадку, падаючий матеріал із сусідньої зірки робить для аккреционного диска навколо чорної діри, і рентгенівські промені випускаються диска (рентгенівські промені випускаються дуже гарячої матерії, так само як і не настільки гарячою нитки лампочку випромінює видиме світло). У разі квазара, надмасивна чорна діра (мільярд сонячних мас або так) лежить в центрі галактики і газу поблизу чорних дір форм аккреционного диска навколо отвору; знову рентгенівські промені та інші форми світла, є результатом.

Ні в одному з цих випадків є світло, що випромінюється і дійшли до нас, з-під горизонту подій чорної діри. Ніщо не може піти з-під горизонту подій.

Чи можна побачити чорну діру? Як виглядає чорна діра?

Не безпосередньо. Нічого, навіть світло може вийти з чорної діри.

З іншого боку, ви можете побачити деякі з феєрверків, що відбуваються поблизу чорної діри. Як газ потрапляє в чорну діру (можливо, що надходить з сусідньої зірки), газ буде нагріватися і світитися, стаючи видимим. Як правило, не тільки видиме світло, але і більш енергійні фотони, як рентгенівські промені будуть випромінюваного газом. Те, що ми очікували б побачити (якщо наші телескопи могли “збільшувати” досить) буде світиться обертовий диск матеріалу, з чорною дірою вниз в центрі диска. Див. вищевказані відповіді.

Наскільки великою може стати чорна діра?

Там немає межі того, як велика чорна діра може бути. Проте, найбільші чорні діри на нашу думку, в існуванні знаходяться в центрах багатьох галактик, і мають маси еквівалентно приблизно мільярд Сонць (тобто мільярд сонячних мас). Їх радіуси б значна частина радіуса нашої Сонячної системи.

Наскільки малою може бути чорна діра?

Відповідно до загальної теорії відносності (теорії, яка передбачає і пояснює більшість особливостей чорних дір), немає нижньої межі розміру чорної діри. Але, повна теорія про те, як працює гравітація повинна також включати в себе квантову механіку, і така теорія ще не побудована. Деякі натяки з недавніх робіт по цій теорії припускають, що чорна діра не може бути менше, ніж про “10-до – (- 33)” див. в радіусі 0 0.000000000000000000000000000000001 см. На цьому невеликому масштабі розмірів, навіть мабуть, гладка природа простору зламається в “щуроловки” тунелів, петлі та інші переплетені структури! По крайней мере, це те, що говорить про поточну роботу.

[З посиланням на відповідь на питання 1 вище.] Чому не внутрішні електронні сили зірки збільшення з тією ж швидкістю, що й гравітаційні сили?

Коротше кажучи, вироджена електронне тиск в зірці залежить від щільності газу певним чином, який не має прямої залежності від, як пов’язані тяжкості і щільності. Якщо ви хочете математичні відносини, його: тиск пропорційно щільності, зведеному в 5/3 потужності. Ця сила визначається властивостями квантової механіки (і не має нічого спільного з силою тяжіння). З іншого боку, сила тяжіння на поверхні (наприклад) зірки пропорційна масі зірки і обернено пропорційна квадрату його радіуса (через універсального закону тяжіння Ньютона!) Якщо я намагаюся висловити ця поверхня сили тяжіння з точки зору щільності зірки (це середня щільність), я знаходжу м/r ^ 2 пропорційна щільності раз р Отже, ви бачите, “раз щільність r” немає нічого подібного “щільності, зведеному в 5/3 потужності”.

Чи буде спостерігач падіння в чорну діру бути в змозі спостерігати всі майбутні події у Всесвіті поза чорної діри?

Нормальне уявлення цих гравітаційних тимчасових ефектів розтягнень може привести один до помилкового висновку. Це правда, що якщо спостерігач (А) знаходиться в нерухомому стані поблизу горизонту подій чорної діри, а другий спостерігач (B) знаходиться в нерухомому стані на великій відстані від горизонту подій, то B буде бачити годин А, щоб бути цокає повільно, і А буде бачити годинник B буде тікати швидко. Але якщо А падає в сторону горизонту подій (в кінці кінців, перетинаючи її) в той час як B залишається нерухомим, то, що кожен бачить це не так прямо вперед, як видно з вище ситуації.

Як B бачить речі: падає в сторону горизонту подій, фотони від А зайняти більше часу і більше часу, щоб вибратися з “гравітаційного добре”, що ведуть до позірна уповільнення годин А, як видно на В, і коли А на обрії, будь-фотон, що випускається тактовій частоті займає (формально) нескінченне час, щоб вийти до B. Уявіть собі, що годинник кожної людини випромінює один фотон для кожного такті годин, щоб зробити його легко думати про. Таким чином, А з’являється замерзати, як видно B, так само, як ви говорите. Проте, А перетнув горизонт подій! Це всього лише ілюзія (буквально “оптичний” ілюзія), що робить B думаю ніколи не перетинає горизонт.

Як A бачить речі: падає, і перетинає горизонт (мабуть, за дуже короткий час). А не бачить годинник B, що випускає фотони, але лине від B, і тому не отримує зібрати більше кінцевого числа цих фотонів до перетину горизонту подій. (Якщо ви хочете, ви можете думати про це, як в зв’язку зі скасуванням гравітаційного уповільнення часу за допомогою ефекту Доплера — через рух від B). Після перетину горизонту подій, фотони, що надходять з вище, не легко розібрали за походженням, так що А не може зрозуміти, як годинник B продовжували тікати.

Кінцеве число фотонів були викинуті А до того, як перетнув горизонт, а кінцеве число фотонів були викинуті B (і збирали A) до того, як перетнув горизонт.

Ви можете запитати: Що робити, якщо мали бути знижені дуже повільно в бік горизонту подій? Так, тоді ефект Доплера не вступатиме в гру, поки, в якийсь практичний межа, А не дуже близько до горизонту і не зможе втриматися від падіння. Тоді А буде бачити тільки кінцевий результат фотонів форми В ( але тепер більше число – покриваючи більше часу B). Звичайно, якщо “висів на” досить довго, перш ніж насправді падіння в, то А може побачити подальший хід Всесвіту.

Підсумок: просто падіння в чорну діру не дасть вам уявлення про всю майбутньому Всесвіту. Чорні діри можуть існувати, не будучи частиною остаточного великого хрускоту, і матерія може впасти в чорні діри.

Для дуже хороший обговорення чорних дірок для не є вченими, см книгу Кіпа Торна: “Чорні діри і час перекосів”.

Чи можуть чорні діри використовуватися як джерело енергії?

Там дуже багато інформації про потенційного використанні чорної діри в якості джерела енергії. (Звичайно ж, слід зазначити, що потрібно спочатку придбати чорну діру! Принаймні, в разі Сонця, у нас вже є сонце!) Відмінним джерелом інформації про чорних дір, написаний для непрофесіонала, це Кіп Торн відмінна книга: Чорні діри і Час перекосів. Я пропоную вам звертатися до нього за “всією інформацією, яку [я] міг би дати” вам.

Коротше кажучи, що обертається чорна діра може зберігати величезну кількість енергії в її обертанні. Ця енергія насправді доступний, так як обертання накладається на простір за межами отвори. В принципі, отже, енергія може бути залучена з обертання чорної діри. Саме те, що використовується механізм є потенційно складної долі.

Я десь читав, що в ДУЖЕ віддаленому майбутньому чорні діри могли протекти і розійтися. Чи може це статися? Якщо він може, як?

Як в річному зіставленні, напевно, знаєте, будь-який об’єкт, що падає в чорну діру не може вийти. Проте, протягом дуже довгого часу, частки матерії “витоку” з чорної діри. Так що, навіть якщо всі об’єкти у Всесвіті повинні були в кінцевому підсумку в чорні діри, після довгого, довгого часу, дірки будуть поступово втрачати свою справу, і справа розходилися througout Всесвіту (у вигляді тонкого шару частинок) ,

Процес, за допомогою якого чорні діри втрачають речовина називається випромінювання Хокінга, після того, як Стівен Хокінг, людина, яка першою зрозумів, як це могло статися. Як це відбувається, це складна історія. Один із способів поглянути на історію використовує концепцію “віртуальних частинок”. У будь-який момент, частка-античастинка пари з’являються і зникають в будь-якому місці, навіть в безпосередній близькості від горизонту подій ( “поверхні”) чорної діри. Ці пари існують протягом короткого проміжку часу, так мало, що ми не можемо виміряти їх маси досить точно, щоб навіть знати, що вони є (проте, ми знаємо про їхню присутність іншими ефектами, які вони викликають). Але, для пари поблизу чорної діри, одна з частинок може потрапляти в отвір, залишивши інший без партнера; частка залишив позаду не може бути швидко знищені його в даний час відсутня партнера (що і відбувається зазвичай). Таким чином, самотня частка залишив не вважає себе більше не “віртуальний”, але тепер “реальним”, так само як і будь-якої частинки в вашому тілі. Так як ця частинка тепер реальна, вона містить певну кількість маси, і що маса була забезпечена енергією чорної діри (через тяжкості діри): існує тепер реальна частка, бо він прийняв масу з чорної діри. Таким чином, поступово, маса виходить з чорної діри в вигляді нових частинок, що з’являються поза отвори. Цей процес, за допомогою якого чорні діри втрачають масу дуже повільно (по крайней мере, для масивних чорних дір, зроблених із зірок), тому час, який буде потрібно для типового чорну діру, в кінцевому рахунку зникають дуже довго. (Для чорної діри масою, рівній масі Сонця, весь процес займе близько 10 ** 66 років, або 1 з 66 нулями після нього.)