Ethan'a Sorun: Zamanı Durduran Bir Paradoks Kara Deliklerin Büyümesini Önler mi?
Kara delikler karşılaştıkları her şeyi yutarlar. Bu, kara deliklerin büyümesi için harika bir yol olsa da, paradoksal görünüyor, çünkü maddenin hiçbiri olay ufkunu dışarıdan bir gözlemcinin perspektifinden geçmiyor gibi görünüyor. (X-RAY: NASA/CXC/UNH/D.LIN ET AL, OPTİK: CFHT, RESİM: NASA/CXC/M.WEISS)
Bir kara deliğin dışından, tüm kütlelerin olay ufkunu aşması sonsuz miktarda zaman alır. O halde kara delikler nasıl büyüyebilir?
Samanyolu büyüklüğündeki her galaksi, çoğunlukla en büyük kütleli yıldızların ölümlerinden oluşan yüz milyonlarca kara delik içermelidir. Bu galaksilerin merkezlerinde, süper kütleli kara delikler, Güneş'in kütlesinin milyonlarca veya milyarlarca katına kadar büyüyecek kadar maddeyi yutmuş, bazen maddeyle beslenirken yakalandı , süreçte radyasyon ve göreli jetler yayan . Ancak dışarıdan, düşen herhangi bir kütlenin düşmesi sonsuz bir zaman alıyormuş gibi görünür; bu kara deliklerin büyümesini engelliyor mu? Olaf Schlüter bilmek istiyor ve soruyor:
[F] veya bir kara deliğe düşen herhangi bir nesne, yaklaştıkça zaman yavaşlar ve nesne olay ufkuna ulaştığında durur. Bu sınıra ulaşmak ve geçmek, uzaktaki bir gözlemci tarafından ölçüldüğünde sonsuz bir zaman alacaktır... maddeyi 'yiyen' sonsuz zaman alacaksa... süper kütleli kara delikler nasıl var olabilir?
Kulağa bir paradoks gibi geliyor ama görelilik, bunların gerçekte nasıl olduğunu açıklıyor.
2017 yılının Nisan ayında, Event Horizon Teleskopu ile ilişkili 8 teleskop/teleskop dizisinin tamamı Messier 87'yi işaret etti. Süper kütleli bir karadelik dışarıdan böyle görünüyor ve olay ufku açıkça görülüyor. (EVENT HORIZON TELESKOP İŞBİRLİĞİ ET AL.)
Bir kara delik hakkında düşündüğünüzde, bunu yapmanın çok farklı iki yolu vardır. İlk yol, onu dışarıdan, dışarıdan bir gözlemcinin bakış açısından değerlendirmektir: bir kara deliği bizim gibi birinin göreceği şekilde hayal etmek. Bu perspektiften, bir kara delik basitçe, belirli bir hacim içinde, kaçış hızının - ya da yerçekimsel çekiminden kurtulmak için ulaşmanız gereken hızın - ışık hızını aştığı yeterli kütlenin bulunduğu bir uzay bölgesidir.
Bu belirli bölgenin dışında, uzay ciddi şekilde bükülebilir, ancak yeterince hızlı hareket eden veya hızlanan parçacıkların yanı sıra ışığın kendisi de Evrendeki herhangi bir keyfi yere yayılabilir. Bununla birlikte, kara deliğin olay ufku olarak tanımlanan iç ve dış arasındaki sınırla, bu bölgenin içinde kaçış yoktur.
Bir kara deliğin dışından, düşen tüm maddeler ışık yayar ve her zaman görünürken, olay ufkunun arkasından hiçbir şey çıkamaz. Ancak bir kara deliğe düşen siz olsaydınız, gördükleriniz ilginç ve mantıksız olurdu ve gerçekte nasıl görüneceğini biliyoruz. (ANDREW HAMILTON, JILA, COLORADO ÜNİVERSİTESİ)
Bununla birlikte, bir kara delik hakkında düşünmenin ikinci yolu, olay ufkunu dışarıdan içeriye doğru geçen ve bu nedenle kara deliğin içine düşen kütleli veya kütlesiz bir parçacığın perspektifindendir. Olay ufkunun dışından, içeri giren varlık, dışarıdaki Evreni ve yaklaştıkça daha da büyüyen olay ufkunun karanlığını görür.
Ancak olay ufkunu geçtiklerinde komik bir şey olur. Hangi yönde hareket ederlerse etsinler ya da hızlansınlar, ne kadar hızlı ya da ne kadar güçlü olurlarsa olsunlar, kendilerini her zaman kaçınılmaz olarak merkezi bir tekilliğe doğru yönelmiş bulacaklardır. Tekillik ya sıfır boyutlu bir noktadır (dönmeyen kara delikler için) ya da tek boyutlu bir halkadır (dönen kara delikler için) ve olay ufku geçildiğinde bundan kaçınılamaz.
Bir Schwarzschild kara deliğinin olay ufkunun hem içinde hem de dışında, uzay, onu nasıl görselleştirmek istediğinize bağlı olarak ya hareketli bir geçit ya da bir şelale gibi akar. Olay ufkunda ışık hızında koşsanız (veya yüzseniz) bile sizi merkezdeki tekilliğe sürükleyen uzay-zamanın akışının üstesinden gelemezsiniz. Ancak olay ufkunun dışında, diğer kuvvetler (elektromanyetizma gibi) sıklıkla yerçekiminin üstesinden gelebilir ve düşen maddenin bile kaçmasına neden olabilir. (ANDREW HAMILTON / JILA / COLORADO ÜNİVERSİTESİ)
Bu bakış açılarını karıştırmamak veya birbirleriyle birleştirmemek önemlidir. İkisi de geçerli olsa da, bir bakış açısından diğerine basit bir dönüşüm yapmak pek mümkün değil. Sebebi basit: Kara deliğin dışından olay ufkunun içinde neler olup bittiği hakkında hiçbir bilgi alamazsınız, kara deliğin içinden ise dışarıya hiçbir bilgi gönderemezsiniz.
Yine de, enerji, açısal momentum ve muhtemelen yük içeren parçacıklar gerçekten kara deliklere düşer, kütlelerini arttırır ve bu kara deliklerin büyümesine neden olur. Bunun tam olarak nasıl olduğunu anlamak için, soruna bağımsız olarak her iki perspektiften bakmamız gerekir ve ancak o zaman bu bulmacanın görünüşte paradoksal yönlerini nasıl uzlaştırabileceğimizi görebiliriz.
Kendini bir kara deliği çevreleyen olay ufkunun içinde bulan her şey, Evrende başka ne oluyorsa olsun, kendisini merkezi tekilliğin içine çekilecektir. (BOB GARDNER / ETSU)
Fiziği, düşen parçacığın perspektifinden bakarsak anlamak biraz daha kolaydır. Önceden var olan bir kara deliğin yakınında bulunan kavisli uzayda bulunan parçacık, kendisini olay ufkunu geçecek bir yörüngede bulursa, net bir öncesi ve sonrası senaryosu var.
Olay ufkunu geçmeden önce karadeliğin belirli bir kütlesi, dönüşü ve olay ufku yarıçapı vardır, düşen parçacık da kapladığı alana hafif bir deformasyon ekler. Olay ufkunun içine geçtiğinde, kütlesi ve açısal momentumu artık karadeliğin önceki parametrelerine ek bir katkı ekleyerek olay ufkunun büyümesine neden oluyor. Düşen parçacığın perspektifinden bakıldığında, her şey net bir anlam ifade ediyor.
Bir kara deliğin çevresinde, nasıl görselleştirmek istediğinize bağlı olarak uzay, hareketli bir yürüyüş yolu veya bir şelale gibi akar. Olay ufkunda ışık hızında koşsanız (veya yüzseniz) bile sizi merkezdeki tekilliğe sürükleyen uzay-zamanın akışının üstesinden gelemezsiniz. Ancak olay ufkunun dışında, diğer kuvvetler (elektromanyetizma gibi) sıklıkla yerçekiminin üstesinden gelebilir ve düşen maddenin bile kaçmasına neden olabilir. (ANDREW HAMILTON / JILA / COLORADO ÜNİVERSİTESİ)
Ancak dışarıdan bir gözlemcinin bakış açısından, işler daha zorlayıcıdır. Bir kara deliğin olay ufkuna yaklaştıkça uzay daha şiddetli bir şekilde kavislenir ve Einstein'ın göreliliği uzayı zamanla ilişkilendirdiğinden, bu, yerçekimsel kırmızıya kayma ve yerçekimi zaman genişlemesi gibi etkilerin, düşen bir parçacık buna yaklaştıkça daha belirgin hale geldiği anlamına gelir. ufuk.
Başka bir deyişle, maddenin bir kara deliğe düştüğünü gören dışarıdan bir gözlemci için, malzeme gibi görünecektir:
- daha kırmızı bir renk alır (fotonlar yerçekimsel olarak kırmızıya kaydığı için),
- asimptotik olarak olay ufkuna yaklaştıkça (zaman genişlemesi nedeniyle) daha yavaş ve daha yavaş düşer,
- zamanla daha soluk ve daha soluk görünür (genişletilmiş zaman miktarı başına foton sayısı giderek azaldıkça),
- ve sonunda olay ufkunun sonsuz derecede yakınında ama yine de dışında donar.
Bu sanatçının izlenimi, bir kara deliğe yaklaşırken gelgit bozulmasıyla parçalanan Güneş benzeri bir yıldızı tasvir ediyor. Daha önce düşen nesneler, ışıklarının solgun ve kırmızı görünmesine rağmen (kolayca kırmızıya kaydırılır ve insan gözüyle görülemezler), düşen maddenin yüzeyinden o zamandan bu yana geçen zamanla orantılı olarak görünür olacaktır. perspektif, olay ufkunu geçti. (ESO, ESA/HUBBLE, M. KORNMESSER)
Dışarıdan bir gözlemcinin bakış açısından, karadeliklerin büyümesinin belki de imkansız olduğunu bile iddia edebilirsiniz. Herhangi bir miktarda madde, ne kadar büyük olursa olsun, olay ufkunun dışından olay ufkunun içine geçemiyorsa, bir kara delik nasıl daha büyük olabilir?
Bir süper kütleye dönüşmeyi unutun; bir kara deliğin büyümesi bile mümkün değil gibi görünüyor!
Ama akıl yürütme tarzımız buysa kendimizi kandırdık. Unutmayın, dışarıdan bir gözlemcinin bakış açısından, bir kara deliğin olay ufkunda neler olup bittiği hakkında hiçbir bilgi elde edemeyiz. Einstein'ın Genel Görelilik kuramının bir kara deliğin içinde ne olması gerektiğini - olay ufuklarını, ergosferleri, tekillikleri ve daha fazlasını nerede ve hangi özelliklerle bulmamız gerektiğini - belirlemek için teorik hesaplamalar yapabilsek de, dışarıdan bir gözlemci bu bilgiyi hiçbir yolla elde edemez.
Hem kütle hem de açısal momentuma sahip bir kara delik için kesin çözüm, 1963'te Roy Kerr tarafından bulundu ve nokta benzeri tekilliğe sahip tek bir olay ufku yerine, iç ve dış olay ufkunun yanı sıra iç ve dış olay ufkunu ortaya çıkardı. dış ergosfer artı önemli yarıçaplı halka benzeri bir tekillik. Harici bir gözlemci, dış olay ufkunun ötesinde hiçbir şey göremez. (MATT VISSER, ARXIV:0706.0622)
Harici bir gözlemcinin algılayabileceği her şey olay ufkunun dışından gelir ve bu daha derin bir gerçeğe işaret eden bir ipucudur: olay ufkunun kendisi fiziğin bozulduğu bir yer değildir (gerçek bir tekillik), sadece harici bir gözlemci içeride ne olduğu hakkında bilgi edinmekten korunur (bir koordinat tekilliği). Bu, düşen bir gözlemcinin deneyimlediği şeyin, tüm gözlemciler için bir düzeyde doğru olması gerektiği anlamına gelir. Bir şekilde kara delikler gerçekten büyümeli ve dışarıdan bir gözlemci de bu büyümeyi görebilmeli.
O halde, bu bariz paradoks göz önüne alındığında, bu büyümeyi nasıl görebilirler?
Anahtar nokta, harici bir gözlemci için karadeliğin, ışığın kaçamayacağı kadar çok madde ve enerjiye (ve açısal momentum, yük ve karadeliği tanımlayan diğer her şeye) sahip bir uzay bölgesi olduğunu hatırlamaktır. o bölge içinde. Bu basit tanımı kabul edersek, bu paradoksu tamamen çözen bir düşünce deneyi yapabiliriz. Dönmeyen bir güneş kütlesine sahip bir kara delik ile başladığımızı ve Güneşimizin bir Schwarzschild kara deliğine çökmesi durumunda olacağı büyüklükte bir olay ufkuyla başladığımızı hayal edin: yarıçapı yaklaşık 3 kilometre olan bir küre.
Bir kara deliğin kütlesi, dönmeyen, izole bir kara delik için olay ufkunun yarıçapının tek belirleyici faktörüdür. ~ 1 güneş kütlesindeki bir kara delik için olay ufku yaklaşık 3 kilometre yarıçaplı olacaktır. (SXS EKİBİ; BOHN ET AL 2015)
Şimdi, başka bir güneş kütlesi nesnesi alalım - belki de Güneşimiz gibi başka bir yıldız - ve onun bu kara deliğe düşmesine izin verelim.
Ne olacak?
Yıldızdan gelen malzeme şöyle olacaktır:
- paramparça,
- kara deliğin gelgit kuvvetleri tarafından gerilir ve sıkıştırılır,
- uzayın muazzam bir bölgesine yayılmış,
- ve asimptotik olarak olay ufkuna yaklaşacak, her parçacık orijinal olay ufkuna sonsuz derecede yaklaşacak - ama asla geçmeyecek.
Mesele şu ki, tahmin edilen merkezi tekillikten sadece 3 kilometreden biraz daha uzakta olan fazladan bir güneş kütlesi ile, şimdi uzayın bu özel bölgesinde iki güneş kütlesi malzemeye sahibiz. İki güneş kütleli bir nesnenin olay ufkunun yarıçapı 6 kilometredir, yani tüm bu malzeme artık olay ufkunun içindedir!
Madde bir kara deliğe düştüğünde, olay ufkunu çevreleyen bir uzay bölgesinde yoğunluğu (birim-hacim başına madde) arttırır. Bu hacimdeki toplam kütle yeterince büyük bir miktarda arttığında, bu yeni malzeme artık yeni, artan yarıçaplı olay ufkunun arkasında olacaktır. (ESA/HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER)
Bu paradoksun çözümü budur: madde, dışarıdan bir gözlemci tarafından görüldüğü gibi bir kara deliğe düştüğünde, olay ufkuna yalnızca asimptotik olarak yaklaşır. Ancak maddenin kütlesi olduğu için, bu kütle artık kritik bir uzay hacmi içinde tutuluyor ve bu da yeni olay ufkunun şimdi kara deliğin etrafında yeni birikmiş olan ek materyali kapsamasına neden oluyor.
Kara deliğin dışından gelen malzemenin, kaçınılmaz bir yörüngeye düşse bile, dışarıdan bir gözlemcinin perspektifinden orijinal olay ufkunu asla geçmeyeceği doğrudur. Ancak bir kara delik ne kadar fazla kütle ve enerji biriktirirse, olay ufku o kadar genişler ve bu, yeni düşen materyalin olay ufkunun içine kolayca girebileceği anlamına gelir; bu, madde yeterince küçük bir alan hacmine ulaştıktan sonra göründüğü gibi: büyümesine neden olacak kadar eski olay ufkuna yeterince yakın.
Kara delikler gerçekten zamanla büyür ve tüm gözlemciler tam olarak ne zaman ve ne kadar olduğu konusunda hemfikir olabilir.
Ethan'a Sor sorularınızı şu adrese gönderin: gmail dot com'da başlar !
Bir Patlama İle Başlar şimdi Forbes'ta , ve 7 günlük bir gecikmeyle Medium'da yeniden yayınlandı. Ethan iki kitap yazdı, Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .
Paylaş: