¿Cuál es la singularidad de un agujero negro?
Cuando escuchen "agujero negro", creo que muchos amigos pensarán en el EHT (Event Horizon Telescope) el 10 de abril de 2019, en Washington, Estados Unidos, Shanghai y Taipei, China, Santiago, Chile y Bélgica, Bruselas, Lyngby, Dinamarca y Tokio, Japón, celebrarán conferencias de prensa al mismo tiempo para publicar el primer resultado importante del "Event Horizon Telescope" en inglés, chino, español, danés y japonés. Imagen de agujero negro jamás obtenida por la humanidad Foto[1].
Si quieres entender qué es la “singularidad de un agujero negro”, primero debes saber qué es un agujero negro y ¿cómo se producen? El concepto de "agujero negro" surgió por primera vez de una carta escrita por John Mitchell, rector y filósofo natural de la Universidad de Cambridge, a Cavendish en 1783, proponiendo el concepto de estrellas oscuras [2]. En el concepto de estrella oscura de Michel, la luz existe en forma de partículas. Según la ley de gravedad de Newton, cuando un planeta es lo suficientemente grande y denso, su velocidad de escape es cercana a la velocidad de la luz. En este momento, las partículas de luz del planeta no pueden escapar de las limitaciones de la gravedad del planeta, y la luz emitida por el planeta no se puede observar en ningún otro lugar del universo. Michel llama a este tipo de cuerpo celeste una "estrella oscura". El concepto de "estrellas oscuras" no ha hecho que la gente piense en los agujeros negros. Esto se debe a que el físico británico Thomas Young realizó el famoso experimento de la doble rendija de Young en 1801 y descubrió las propiedades de interferencia de la luz, demostrando que la luz existe en forma de. ¿Ondas, no corpúsculos como se imagina?[3]. En la mente de la gente de aquella época, la conjetura de la "estrella oscura" era absurda.
No fue hasta 1915 que Einstein propuso la teoría general de la relatividad, que cambió la comprensión que la gente tenía de la gravedad. En 1916, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild obtuvo una solución del vacío calculando la ecuación del campo gravitacional de Einstein bajo la condición de simetría esférica. Esta solución describe la estructura geométrica del espacio-tiempo alrededor de un punto con masa. -tiempo, de modo que el espacio dentro de un cierto radio crítico está aislado del resto del universo, es decir, hay una interfaz: el "horizonte de sucesos". Una vez que entra en esta interfaz, ni siquiera la luz puede escapar. Este radio crítico se llama radio de Schwarzschild R=2GM/c^2, donde G? es la constante gravitacional, c? es la velocidad de la luz y M? Se sabe por el radio de Schwarzschild que el tamaño del radio del horizonte de sucesos del agujero negro está relacionado positivamente con la masa del agujero negro [4]. Normalmente, la reacción de fusión nuclear dentro de una estrella produce gas a alta temperatura. La fuerza del gradiente de presión en el gas puede competir con la gravedad, permitiendo que la estrella esté en un estado de equilibrio hidrostático. Cuando una estrella agota su combustible nuclear, la temperatura disminuye. y la fuerza del gradiente de presión disminuye. Incapaz de luchar contra la gravedad, la materia colapsa rápidamente hacia el centro y parte de la materia es arrojada al espacio. La materia restante se acumula hacia el centro bajo su propia gravedad, formando un cuerpo celeste denso. Si la estrella original es lo suficientemente masiva, mayor que aproximadamente 20 veces la masa del sol (1 masa solar = 1,9891×1030 kg), el objeto denso formado después de la explosión es un agujero negro.
El "agujero negro" recibió su nombre oficialmente el 29 de diciembre de 1967, cuando el famoso físico estadounidense Wheeler dio una conferencia en la Universidad de Columbia titulada "Nuestro universo: lo conocido y lo desconocido". Se utilizó por primera vez en un conferencia pública, y desde entonces "agujero negro" se ha convertido gradualmente en un término propio de la física. Para un agujero negro bajo estricta relatividad general, la superficie del agujero negro puede determinarse por la superficie esférica determinada por el radio de Schwarzschild. En comparación con el modelo simple de agujero negro de Schwarzschild (sin carga y sin rotación), el agujero negro real es más grande. complicado. Se necesitan más de tres cantidades físicas para describir un agujero negro completo: masa, carga y momento angular. Esto es lo que Hawking, B. Carter y otros demostraron estrictamente en 1973 como el "Teorema sin pelo del agujero negro" [5]: después de que se forma el agujero negro, sólo quedan tres conservaciones que no pueden convertirse en cantidad de radiación electromagnética. Se pierde otra información ("pelo"), el agujero negro casi no tiene propiedades complejas del material del que se formó y no tiene memoria de la forma o composición del material precursor.
¿Cómo descubrir un agujero negro? La diferencia entre los agujeros negros y la mayoría de los cuerpos celestes del universo es que los agujeros negros no se pueden observar directamente. La mayoría de las observaciones actuales de los agujeros negros se realizan a través de procesos físicos alrededor del agujero negro: acreción y chorros. La acreción de un agujero negro se refiere al proceso en el que el gas alrededor de un agujero negro cae hacia el agujero negro bajo la influencia de la fuerte gravedad del agujero negro. Durante el proceso de caída del gas, la energía potencial gravitacional se convierte en energía interna y energía cinética. Por lo tanto, la temperatura del gas que llega a las proximidades del agujero negro puede alcanzar entre varios millones y decenas de miles de millones de grados Celsius. Estos plasmas de alta temperatura emitirán una fuerte radiación electromagnética multibanda y también producirán chorros y vientos. Además, estos gases generalmente tienen momento angular, por lo que formarán una estructura en forma de disco: un disco de acreción de un agujero negro [6]. Los chorros de agujero negro se refieren a partículas que se aceleran hasta una velocidad cercana a la de la luz en el disco de acreción del agujero negro y salen volando de los polos del agujero negro bajo la influencia de un fuerte campo magnético para formar chorros alargados.
Debido a la enorme masa del agujero negro, su rotación es muy estable y el eje de rotación no cambiará en una escala de tiempo prolongada. Por lo tanto, el chorro del agujero negro es siempre largo y recto, y a veces se extiende hasta el espacio. jet es La longitud puede alcanzar decenas de miles de años luz [7].
Al observar estos procesos físicos, podemos obtener "información de borde" sobre cómo otros cuerpos celestes del universo emiten rayos X y rayos gamma debido a la fricción provocada por la aceleración provocada por la gravedad del agujero negro antes de ser absorbido por el agujero negro, u observar estrellas o la órbita de nubes interestelares y masas de gas para inferir información como la posición y la masa del agujero negro. El primer agujero negro descubierto en la historia fue Cygnus X-1. Su masa es entre 8 y 10 veces mayor que la del Sol. La caída de los cuerpos celestes circundantes lo hace parecer inusualmente brillante en la banda de rayos X. El agujero negro inferido al observar las órbitas de las estrellas es un agujero negro supermasivo que se esconde en la región de Sagitario A* (Sgr A*), en el centro de la Vía Láctea. En 2009, un equipo internacional de astrónomos obtuvo el resultado basándose en 16 años. Mediante observaciones infrarrojas se descubrió que 28 de las estrellas orbitaban alrededor de un cuerpo celeste invisible. Hasta 2017, se determinaron las órbitas de 40 estrellas basándose en el análisis de la órbita de 17 de las estrellas, el agujero negro en el centro de. La Vía Láctea se calculó con un error menor. La masa es 4,28 millones de veces la masa del Sol [8]. En un área tan pequeña, tiene más de 4 millones de veces la masa del Sol. Es difícil encontrar otros cuerpos celestes con tales propiedades. Los astrónomos creen que la evidencia apunta a un agujero negro supermasivo acechando en el centro de la Vía Láctea.
Según las características físicas del propio agujero negro, los agujeros negros se pueden dividir en cuatro categorías: agujeros negros no giratorios y sin carga - agujeros negros de Schwarzschild, agujeros negros no giratorios con carga - agujeros negros R-N, Agujeros negros no cargados giratorios: agujero negro de Kerr, agujero negro cargado giratorio: agujero negro de Kerr-Newman. Los agujeros negros se pueden dividir en tres categorías según su masa: agujeros negros de masa estelar, agujeros negros de masa intermedia y agujeros negros supermasivos. Los agujeros negros de masa estelar tienen entre varias y cientos de veces la masa del Sol; los agujeros negros supermasivos tienen millones de veces la masa del Sol y los agujeros negros de masa intermedia se encuentran en algún punto intermedio. Se estima que hay al menos cientos de millones de agujeros negros estelares en una galaxia similar a la Vía Láctea. Sin embargo, debido a que la mayoría de ellos carecen de materias primas de acreción, son difíciles de observar. Actualmente, sólo se han observado más de 20. en la Vía Láctea [9].
En 1988, el físico Stephen Hawking y el profesor de matemáticas de la Universidad de Oxford Roger Penrose*** ganaron el Premio Wolf de Física por su demostración del extraño fenómeno de los años 70: El teorema de la singularidad lo demuestra. La teoría general de la relatividad es incompleta, porque si la teoría general de la relatividad es universalmente válida, entonces debe haber algunas singularidades en el espacio-tiempo del universo. El centro de investigación sobre agujeros negros descubrió que, aunque la masa y el horizonte del agujero negro son limitados, estas masas no están distribuidas uniformemente en todo el horizonte, sino que se concentran en un punto en el centro del agujero negro. Este punto es infinito. densidad, una singularidad con una curvatura espacio-temporal infinitamente alta, un sistema infinitamente pequeño y calor infinito, rodeado por un espacio sin nada. Este punto no se puede ver a simple vista. [10].
En el libro de Hawking "The Grand Design" [11], la singularidad se explica de la siguiente manera: una singularidad es un punto en el espacio y el tiempo en el que la cantidad física se vuelve infinita y las leyes clásicas de la física fallan. La singularidad apareció en el Big Bang y también se formó en el agujero negro. En otras palabras, el universo y el tiempo pueden originarse en la singularidad o terminar en la singularidad.
? La "Singularidad del Agujero Negro" servirá como punto de partida para una explosión de conocimiento. Aquí le mostraremos conocimientos científicos populares rigurosos e interesantes, exploraremos juntos los misterios del mundo y abriremos el mundo. "cajas negras" a tu alrededor.
Referencias:
[1]. ¡La primera fotografía de un agujero negro publicada! ¡Mira, mira, la cara del agujero negro! [N]. People's Daily, 2019-04-10.
[2].John Michell sobre los medios para descubrir la distancia, la magnitud, etc. de las estrellas fijas, como consecuencia de la disminución de la velocidad de su luz, en caso de que se encuentre que se produce tal disminución en cualquiera de ellos, y los demás datos deben obtenerse de las observaciones que sean más necesarios para ese propósito por el Reverendo John Michell, B. D. F. R. S. In. una carta a Henry Cavendish, Esq. F. R. S. y A. S. [J]. Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres, 1784, 74:35-57.
[3].Liu Qian. [J]. Science and Technology Think Tank, 2015(11):78-85.
[4]. Descubriendo el misterio de los agujeros negros acercándose a la astronomía [J]. 49 (03):196-199.
[5].Bekenstein. Nuevo teorema de "cabello sin escalar" para agujeros negros. [J], Partículas y campos, 1995. 51 (12).
[6]. Lu Jufu. Progreso en la teoría del disco de acreción de agujeros negros [J]. Progreso en astronomía, 2001(03):365-374. [7]. Yuan Feng. Avances de la investigación sobre los chorros de agujeros negros [J]. et al. Una actualización sobre el seguimiento de las órbitas estelares en el Centro Galáctico[J]. Astrophysical Journal, 2017, 837(1):30.
[9]. publica la primera fotografía del incidente del agujero negro Interpretación [J]. Science Bulletin, 2019, 64(20): 2077-2081.
[10]. Zhao Ang. Investigación sobre Hawking y los agujeros negros [N] Trabajadores diarios, 2018-03-23(006).
[11]. Hawking, S.), Mlodinow, et al. Una breve historia del tiempo·Grand Design: Edición limitada de la celebración del 70 cumpleaños de Hawking. [M]. Prensa de ciencia y tecnología de Hunan, 2011.