Orizontul evenimentelor

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Fără surse!
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți .
Puteți îmbunătăți această intrare adăugând citate din surse de încredere în conformitate cu liniile directoare privind utilizarea surselor . Urmați sfaturile de proiectare de referință .
Orizontul evenimentelor în roșu, ergosfera în albastru / gri

Un orizont de evenimente este un concept legat de găurile negre , o predicție teoretică a relativității generale . Este definită ca suprafața limită dincolo de care niciun eveniment nu poate afecta un observator extern.

Descriere

„Imaginea” orizontului evenimentelor găurii negre supermasive din centrul galaxiei Messier 87 , obținută în 2019 grație radiotelescoapelor Telescopului Event Horizon [1] . În imagine putem observa „umbra” găurii negre: materia atrasă de interiorul ei, încălzindu-se, emite lumină parțial observabilă grație radiotelescoapelor, făcând zona „umbrelor” din interiorul găurii negre observabilă. [2]

Conform teoriei relativității, spațiul și timpul formează un singur complex cu patru dimensiuni reale (numite spațiu-timp ), care este deformat de prezența masei (sau energiei).

În cazul unei găuri negre Schwarzschild , orizontul evenimentelor este creat atunci când, într-un corp auto-gravitativ, „materia” (concept folosit aici pentru a identifica împreună masa și energia, care conform relativității generale sunt același lucru) este atât de concentrat că viteza de evacuare ar presupune valori egale sau chiar mai mari decât viteza luminii.

Corpurile de tipul de mai sus, atunci când nu sunt rotative ( moment unghiular zero) și fără sarcină electrică, au o simetrie sferică cu o rază egală cu:

,

unde M este masa, G constanta gravitațională universală și c viteza luminii. Această expresie definește așa - numita rază Schwarzschild .

Conform unei definiții date de Roger Penrose , [3] orizontul evenimentelor dintr-o gaură neagră este o suprafață specială a spațiului-timp care separă locurile din care pot scăpa semnale de cele din care nu pot scăpa semnalele.

Într-un sens mult mai general, dacă prin „eveniment” înțelegem un fenomen (stare particulară a realității fizice observabile), identificat prin cele patru coordonate spațiu-timp, un „orizont de eveniment” poate fi definit ca o regiune a spațiului-timp dincolo de care încetează să mai fie posibil să se observe fenomenul.

În cazul găurilor negre ale lui Schwarzschild, orizontul evenimentelor este o suprafață sferică care înconjoară o singularitate situată în centrul sferei; acesta din urmă este un punct în care densitatea ar fi infinită și legile fizicii, conform teoriei relativității generale, își pierd sensul.

Singularitatea s-ar putea să nu fie necesară, conform unor teorii ale gravitației cuantice ( gravitația cuantică în buclă ), care postulează spațiul-timp ca o entitate dotată cu o realitate fizică și nu doar un simplu concept matematic, împărțit în elemente discrete ale diametrului o lungime Planck . Cu alte cuvinte, conform teoriei de mai sus, spațiul-timp ar avea un rol activ fizic, nu pasiv, iar structura sa intimă ar fi alcătuită din „atomi” reali care ar forma o rețea densă în continuă evoluție. În condiții normale, structura atomică a spațiului-timp nu ar fi percepută, ceea ce ar apărea ca un continuu matematic și Universul ar fi descris de relativitatea generală, dar la distanțe în ordinea lungimii lui Planck lucrurile s-ar schimba radical: efectele cuantice și gravitaționale ar presupune intensități comparabile. Ar fi ca și cum spațiul ar lua o „personalitate fizică” proprie și ar interacționa cu energia (masa) într-un mod activ. [4]

Dacă gaura neagră Schwarzschild ar poseda masa unei galaxii , orizontul ar fi situat la o distanță de ordinul a 10 11 kilometri de centru; dacă în schimb o gaură neagră ar avea masa Soarelui , atunci orizontul ar fi la aproximativ trei kilometri de centru; în cele din urmă, dacă o gaură neagră ar avea masa unui munte , orizontul ar fi situat la 10 −13 centimetri. Temperatura orizontului ar trebui să fie atât de ridicată încât să nu fie nici măcar măsurabilă. [5]

Unele dintre cele mai actuale probleme referitoare la fizica orizonturilor de evenimente ale găurilor negre sunt: ​​emisia de radiații Hawking , entropia găurilor negre și alte probleme conexe, cum ar fi fuzionarea găurilor negre.

La nivel teoretic, pentru a doua lege a termodinamicii în timpul oricărui proces, entropia unui sistem izolat (care este o gaură neagră) trebuie să crească și, în cazul unei găuri negre, aceasta se traduce printr-o creștere a zonei orizontul evenimentelor. De fiecare dată când gaura neagră „înghite” ceva, aria orizontului evenimentelor crește.

Multe rezultate sunt doar speculative sau ipotetice, având în vedere că, în acest moment, nimeni nu a văzut vreodată o gaură neagră „de aproape” (sunt de dimensiuni neglijabile - doar câțiva kilometri în diametru - cele stelare , nu emit radiații măsurabile și sunt adesea învelite din discuri de acumulare sau haloane dense de materie). De asemenea, trebuie remarcat faptul că nici o informație nu poate ieși din interiorul unei găuri negre care să poată spune ceva despre structura sa intimă. Cel puțin în prezent nu există o teorie de referință bine stabilită susținută de date observaționale. Un posibil candidat pentru o astfel de teorie ar fi gravitația cuantică , care, depășind relativitatea generală și, probabil, dincolo de mecanica cuantică însăși, ar avea ca efect unificarea lor și găsirea cadrului matematic din care apar ambele.

Trecerea orizontului evenimentelor unei găuri negre

Departe de gaura neagră, o particulă se poate mișca în orice direcție, așa cum este ilustrat de seria de săgeți. Mișcarea este limitată doar de viteza luminii.
Mai aproape de gaura neagră, spațiu-timp începe să se deformeze. Există mai multe căi care merg spre gaura neagră decât sunt căi de recesiune.
În orizontul evenimentelor, toate căile aduc particula cea mai apropiată de centrul găurii negre. Particula nu mai poate scăpa.

O greșeală foarte obișnuită este să ne imaginăm orizontul evenimentelor unei găuri negre ca pe o suprafață statică mai mult sau mai puțin sferică. În schimb, este bine să rețineți că este un orizont deplin, adică ceva ce nu poate fi atins și care se îndepărtează atunci când un observator se apropie (exact ca orizontul terestru).

Observatorii distanți în mod arbitrar față de gaura neagră vor fi cu toții de acord în măsurarea aceleiași suprafețe sferice de dimensiuni finite, aparent statice, negre, mai mult sau mai puțin mari, numai în funcție de masa găurii negre (aceasta este mai mult sau mai puțin situație în care probabil ne vom găsi foarte curând dacă, așa cum sperăm, vom putea observa direct orizontul de evenimente al Săgetătorului A * , al cărui diametru este estimat la 44 de milioane de kilometri: toți observatorii care, ca și noi, se aflau la o distanță apreciabilă de gaura neagră ar vedea aceeași sferă neagră cu o rază de 44 de milioane de kilometri). Dar lucrurile se schimbă considerabil atunci când distanța de gaura neagră devine deloc neglijabilă.

Aparent, acest lucru ne-ar determina să ne gândim la posibilitatea „coborârii” unei frânghii (sau a unui stâlp) cu un astronaut agățat pentru a traversa orizontul (sau cel puțin ceea ce observatorii îndepărtați identifică ca atare) și a raporta ceea ce a fost văzut. Acest lucru ar putea părea aparent fezabil mai ales în ceea ce privește găurile negre supermasive, unde gravitația suprafeței [6] poate atinge valori chiar mai mici decât cea a Pământului (gravitația suprafeței găurilor negre este invers proporțională cu masa lor - dar aveți grijă: pentru a ajunge la gravitația suprafeței Pământului, o gaură neagră trebuie să fie cu adevărat monstruoasă: 1,55 trilioane de mase solare și jumătate de an lumină în diametru [7] ). În realitate, însă, acest lucru nu este posibil. Distanța observatorului de la orizont, deși mare, este finită: deci lungimea frânghiei trebuie să fie și finită. Dar dacă șirul a fost coborât încet (astfel încât fiecare punct al șirului să rămână aproximativ în repaus în raport cu coordonatele Schwarzschild ), accelerația corectă (forța G) experimentată de punctele șirului cel mai apropiat de orizont se vor apropia de infinit față de observator, așa că frânghia se va rupe. Dacă, pe de altă parte, frânghia a fost coborâtă rapid (sau în cădere liberă), astronautul din partea de jos a frânghiei va putea efectiv să atingă și chiar să traverseze orizontul evenimentelor. Dar, odată ce se întâmplă acest lucru, ar fi imposibil să trageți din nou fundul frânghiei din orizontul evenimentului, deoarece atunci când frânghia este încordată, forțele de-a lungul frânghiei vor crește fără limită pe măsură ce se apropie de orizontul evenimentului și mai devreme sau mai târziu va trebui să se rupă. Mai mult, pauza nu va avea loc dincolo de orizontul evenimentelor, ci într-un punct în care observatorul poate observa în continuare. [8]

Este posibil să mai oferim un exemplu. Imaginați-vă o gaură neagră atât de mare încât are o greutate de suprafață egală cu cea a Pământului. Ne-am putea imagina echipând astronautul cu o rachetă puternică care îl ține exact în echilibru chiar deasupra orizontului. Din păcate, nici asta nu ar funcționa. Să ne imaginăm că o coborâm cu frânghia noastră până la câțiva metri deasupra orizontului evenimentelor și odată ajuns acolo, astronautul își va aprinde racheta. Observatorul exterior va observa, totuși, că racheta astronautului, odată ce se apropie suficient de mult de orizontul evenimentelor, nu va mai avea aceeași putere ca înainte. Accelerația de 1 g necesară pentru a-l menține pe linia de plutire va fi redusă considerabil din cauza dilatării timpului: descărcarea combustibilului va părea să aibă loc la o viteză considerabil redusă, până când se oprește complet în apropierea orizontului. Soarta astronautului ar fi deci sigilată oricum.

În ceea ce privește punctul de vedere al nefericitului astronaut care se va trezi traversând orizontul evenimentelor, lucrurile vor apărea complet diferite. Folosind matematica, astronautul va putea calcula momentul exact în care observatorul îndepărtat îl va vedea dispărând dincolo de orizontul evenimentelor. Dar nu va experimenta nimic special, pentru el va fi un moment ca oricare altul și nu va traversa nicio „perdea” neagră. În ceea ce privește experiența vizuală, un observator în cădere liberă în interiorul unei găuri negre va vedea o regiune neagră sub el la o distanță aparent fixă, de neatins, care îl va însoți pe tot parcursul căderii (chiar dacă pentru observatorul îndepărtat va fi trecut deja orizont.). El va continua să vadă observatorul îndepărtat atâta timp cât forțele mareelor permit, chiar dacă distanța va crește progresiv (va fi spațiul în sine care se dilată foarte rapid de-a lungul dimensiunii radiale) și observatorul îndepărtat nu-l va mai vedea niciodată. [9] Orice alte obiecte care au traversat orizontul de-a lungul aceleiași căi radiale, dar cu doar un moment înainte vor avea întotdeauna aceeași poziție deasupra orizontului. Și dacă erau suficient de apropiați de observator, puteau face schimb de mesaje cu el. Toate acestea în cadrul orizontului evenimentelor.

Nu se știe care va fi soarta finală a astronautului în cădere liberă. Impactul cu singularitatea gravitațională în centru nu va avea loc niciodată, deoarece ar necesita timp infinit în conformitate cu cadrul său de referință. Singurul eveniment demn de remarcat (și fatal) va fi creșterea nemăsurată a forțelor mareelor . Continuând toamna, spaghetificarea va fi de fapt un proces de neoprit: păstrarea a două puncte împreună de-a lungul razei găurii negre va necesita o energie care tinde la infinit pe măsură ce căderea liberă continuă. Și întrucât căderea nu se va termina niciodată și mișcarea orizontală de-a lungul circumferinței găurii negre va fi întotdeauna posibilă, de la un anumit moment înainte materia (sau ceea ce rămâne din ea) va începe să aibă de fapt doar două dimensiuni ale libertății (nu mai sunt trei) .) plus timp. Este din toate punctele de vedere eliminarea unei dimensiuni spațiale. Momentul formal în care se produce acest lucru coincide cu momentul exact în care viteza de evacuare indusă de forțele mareelor ​​dintre două puncte apropiate în mod arbitrar de-a lungul dimensiunii radiale va depăși viteza luminii. Este un eveniment foarte similar (chiar dacă limitat la o singură dimensiune spațială) la ceea ce este ipotezat într-unul dintre scenariile posibile care descriu sfârșitul universului : Big Rip .

Cu toate acestea, este un proces treptat. Ar trebui să existe o zonă, dincolo de orizontul evenimentelor, pentru observatorii externi (și, astfel, efectiv „în afara” Universului nostru) și cu mult înainte ca forțele mareelor ​​să vină să îndepărteze dimensiunea spațială paralelă cu raza găurii negre în ale cărei legi fizice sunt aceleași. legi pe care le cunoaștem. Cu cât este mai mare gaura neagră, cu atât această zonă va fi mai mare. Dacă cineva ar putea observa sfârșitul celor trei dimensiuni (dar suntem cu mult dincolo de tolerabilitatea fizică a enormelor forțe de maree) ar observa apariția unui orizont negru în spatele lor care se va adăuga la ceea ce se află în fața lor (orizontul de maree) ., iar cele două orizonturi vor tinde să se apropie din ce în ce mai rapid până când spațiul este zdrobit pe un plan. Observatorul va observa, de asemenea, că, înainte ca acest lucru să se întâmple, ambele orizonturi vor începe să atragă obiecte care cad libere lângă el, fie la unul, fie la celălalt, în funcție de locul în care sunt cele mai apropiate. Cu toate acestea, până când acestea nu se vor uni, el va fi întotdeauna în centrul dintre cele două orizonturi (imaginându-și observatorul asemănător punctului: așa cum am spus, niciun corp nu ar putea rezista acestei faze a căderii).

Acest lucru se întâmplă deoarece spațiul de-a lungul dimensiunii radiale se extinde din ce în ce mai repede și, din moment ce un obiect este mai îndepărtat, cu atât extinderea spațiului va fi mai rapidă, dincolo de o anumită distanță, lumina însăși nu ar putea ajunge la observator (acest lucru este al unui orizont complet analog orizontului evenimentelor cosmice ); în cele din urmă, aceeași dilatare se accelerează, astfel încât orizonturile se vor apropia din ce în ce mai mult.

Dacă forțele de maree nu ar exista, căderea liberă într-o gaură neagră ar fi pur și simplu o călătorie eternă în gravitație zero, fără evenimente semnificative.

Ceea ce s-a spus până acum privește cazuri ideale foarte simple de găuri negre neutre și care nu se rotesc (numite găuri negre Schwarzschild ). Dinamica găurilor negre încărcate și rotative ( găurile negre Kerr-Newman ) sunt mult mai complexe, până la punctul în care cineva a propus că, odată ce au ajuns foarte adânc, dimensiunile fizice se schimbă din nou. [10] Acest lucru ar avea loc dincolo de orizontul Cauchy , care se află chiar mai mult intern decât orizontul evenimentelor. A fost avansată și ipoteza posibilității unor orbite stabile complexe în formă de helix în orizontul de evenimente al găurilor negre Kerr-Newman . [10]

Orizont de eveniment cosmic

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Univers observabil .

Prin termenul orizont de evenimente ne referim și la limita universului observabil . Până în prezent nu se știe dacă universul este finit sau infinit ca mărime și volum, deși majoritatea teoreticienilor sunt înclinați în prezent să susțină teza unui univers finit. Această idee se bazează pe presupunerea că, dacă admitem că universul era infinit, ar fi în consecință compus din stele infinite: o astfel de concluzie ar duce la rezultatul logic că, la apusul soarelui, cerul ar continua să fie luminat ziua [11] . Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că acest paradox poate fi ușor rezolvat pe baza limitării vitezei luminii și a vârstei universului.

Cât despre cea observabilă, însă, datorită faptului că viteza luminii este limitată, este posibil să se deducă că este finită. Orizontul cosmic este la 13,7 miliarde de ani lumină distanță. Cu toate acestea, distanța efectivă a acestui orizont este mai mare, cu 47 de miliarde de ani lumină mai precis, deoarece, în timpul necesar luminii pentru a ajunge la noi, această margine a continuat să se extindă.

Notă

  1. ^ Trebuie remarcat faptul că aceasta nu este o fotografie reală, ci rezultatul procesării unor cantități uriașe de date incomplete reconstituite în întregime de computere cu o mare putere de calcul (în Il Post.it , 10 aprilie 2019 )
  2. ^ Iată fotografia secolului, prima dintr-o gaură neagră , pe ansa.it , ANSA , 10 aprilie 2019. Adus pe 10 aprilie 2019 .
  3. ^ Roger Penrose : Drumul către realitate. Legile fundamentale ale Universului , Rizzoli, Milano, 2004
  4. ^ Martin Bojowald, The Bouncing Universe , în Științe , decembrie 2008, pp. 58-59.
  5. ^ Leonard Susskind, Găurile negre și paradoxul informației , în Le Scienze , n. 346, iunie 1997, pp. 56-61.
  6. ^ Gravitația de suprafață a unei găuri negre este accelerația pe care o experimentează un corp în apropierea orizontului evenimentelor.
  7. ^ Xaonon: Hawking Radiation Calculator , la xaonon.dyndns.org . Adus la 24 aprilie 2012 (arhivat din original la 14 octombrie 2008) .
  8. ^ Thorne , 824
  9. ^ Călătorie într-o gaură neagră Schwarzschild
  10. ^ A b (RO) Există viață în găurile negre? ( PDF ), pe arxiv.org . Planete și viață în găurile negre? , pe link2universe.net (arhivat din adresa URL originală la 29 decembrie 2013) .
  11. ^ Universul s-a terminat

Bibliografie

  • ( EN ) Kip S. Thorne, Charles W. Misner și John Archibald Wheeler, Gravitation , 1973.
  • (EN) Robert M. Wald, Relativity General.
  • (EN) Wolfgang Rindler , Relativitatea: specială, generală și cosmologică.
  • ( EN ) LV Hau, SE Harris, Z. Dutton și CH Behroozi, Reducerea vitezei luminii la 17 metri pe secundă într-un gaz atomic ultracold , în Nature , n. 397, 18 februarie 1999, pp. 594–598.

Elemente conexe

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Orizzonte_degli_eventi&oldid=121539129 ”