Dlaczego światło nie może uciec z czarnej dziury?

Odpowiedzi:

12

Czarna dziura ma horyzont zdarzeń, który „oznacza punkt bez powrotu”. Tak więc, światło nie może uciec z czarnej dziury.

Czemu? Pomyśl o „tkaninie czasoprzestrzennej”. Moim zdaniem jest to najłatwiejszy sposób zrozumienia fizyki w pracy.

Zwykle tkanina wyglądałaby tak:

tkanina
(źródło: dlaczegofiles.org )

Jednak czarna dziura ma tak dużą grawitację, że można powiedzieć, że „rozrywa” czasoprzestrzenną tkaninę:

czarna dziura
(źródło: ddmcdn.com )

Kiedy światło uderza w ten obszar o niezwykle intensywnej grawitacji, po prostu nie może się wydostać - światło przemieszcza się „wzdłuż” materiału, a ponieważ jest pęknięcie w tkaninie, można powiedzieć, że po prostu znika - staje się częścią osobliwości .

Jest to oczywiście uproszczenie, ale wystarczy zrozumieć przynajmniej część fizyki stojącej za tym zjawiskiem.

Cofnij
źródło
Czy efekt dylatacji czasowej samego horyzontu zdarzeń jest wystarczający, aby zapobiec ucieczce światła? Czy to tylko niewielki element tego, co utrzymuje światło uwięzione w czarnej dziurze?
Mark Rogers,
6
To straszne. W kreskówkowej tkaninie czasoprzestrzennej nic nie wskazuje na horyzont ani dlaczego jest to ważne. Jest to dosłownie nieistotne - odpowiadasz na pytanie „co stanie się z rzeczami po wpadnięciu do czarnej dziury?” zamiast.
Stan Liou,
11

Lubię o tym myśleć w kategoriach prędkości ucieczki .

Prędkość ucieczki to prędkość potrzebna do uniknięcia przyciągania grawitacyjnego danego obiektu. Dla Ziemi prędkość ta wynosi 11,2 km / sekundę (Mach 34!). Kiedy rakiety wystrzeliwują z Ziemi, nie próbują osiągnąć określonej wysokości lub wysokości, próbują osiągnąć określoną prędkość, prędkość ucieczki.

Gdy rakieta osiągnie 11,2 kipsa *, osiągnęła prędkość niezbędną do całkowitego opuszczenia Ziemi. Jeśli rakieta nie osiągnie tej prędkości, niezależnie od jej wysokości, spadnie z powrotem na Ziemię. (Możesz sobie wyobrazić magiczny balon, który powoli unosi cię w kosmos, obok ISS i większości satelitów, a następnie puszczasz: ponieważ nie jedziesz wystarczająco szybko, spadniesz z powrotem, minie wszystkie satelity i uderzyć w ziemię).

Mniejsze ciała grawitacyjne, takie jak księżyc, mają mniejsze prędkości ucieczki. Właśnie dlatego lądowniki księżycowe były w stanie opuścić Księżyc z tak małym stopniem wznoszenia się , w porównaniu z masywnym Saturnem V, który potrzebował do opuszczenia Ziemi: musieli lecieć tylko 2,4 km / s.

Saturn V vs Moduł Lunar Ascent Moduł Lunar Ascent

Aby uciec przed słońcem, musisz pokonać 617,5 km / s!

Na szczęście dla nas światło płynie szybciej niż 617,5 kipsów, więc jesteśmy w stanie zobaczyć światło utworzone na Słońcu. Jednak wraz ze wzrostem masy obiektu prędkość ucieczki osiągnie lub przekroczy 299 792 km / s, czyli prędkość światła. W tym momencie nawet samo światło nie może podążyć wystarczająco szybko, aby dobrze uciec grawitacji i zawsze będzie przyciągane z powrotem do czarnej dziury.

* Skrót od „ ki lometers p er s econd”

brentonstrine
źródło
3
prędkość ucieczki dla Ziemi wynosi 11,2 kps; dotyczy to jednak rzucanych przedmiotów; musisz rzucić kamieniem z prędkością 11,2 kps (ignorując opór atmosferyczny), aby opuścił Ziemię i nie spadł; jeśli jednak twoja skała ma silnik, który może zastosować siłę ciągu, może opuścić Ziemię ze znacznie mniejszą prędkością. Im dłużej jest w stanie zastosować ciąg, tym wolniej może iść, gdy wychodzisz.
jmarina
jmarina, to interesujące, nie słyszałem o tym. Czy mógłbyś podać link z dodatkowymi informacjami lub nazwą opisywanego efektu?
brentonstrine
1
@jmarina ma rację, ale wyjaśnienie jest bardziej interesujące. Prędkość ucieczki zmniejsza się wraz z odległością od ciała, z którego próbujesz uciec. Na przykład przy 9 000 km w górę prędkość ucieczki wynosi około 7,1 km / s. Powodem jest to, że jeśli zmierzasz do osiągnięcia prędkości, która ma ominąć Ziemię, to możesz zyskać dodatkową prędkość, spadając w jej kierunku. I podczas gdy prędkość ucieczki od Słońca na powierzchni Słońca wynosi 617,5 km / s, na orbicie Ziemi wynosi tylko 42,1 km / s.
Jason Goemaat
O, rozumiem. Prędkość ucieczki jest uwzględniana w „wolnej” prędkości, którą otrzymujesz z przyciągania grawitacyjnego, jeśli wracasz (ale wystarczająco nachylony, aby ominąć planetę). Czy to prawda?
brentonstrine
@brentonstrine wolną prędkość, o której wspominasz, którą otrzymujesz z asysty grawitacyjnej: www2.jpl.nasa.gov/basics/grav/primer.php prędkość orbity Ziemi wynosi około 30 km / s, zmienia się nieco do 29 kps, ponieważ orbita nie jest dokładnym okręgiem, w rzeczywistości jesteśmy bliżej Słońca w północnej zimie i dalej o około milion km w lecie. nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet
jmarina
2

Nie zapominaj, że jeśli czarna dziura ma mniej niż obecną stabilną masę czarnej dziury (3 masy słoneczne), wówczas odparowuje - przekształcając swoją masę w promieniowanie, w którym to przypadku wydzielałoby światło, głównie promienie X i gamma, w coraz szybszym tempie wraz ze spadkiem masy, aż cała czarna dziura zamieni się w błysk twardego promieniowania.

http://en.wikipedia.org/wiki/Hawking_radiation

Jednak to światło jest masą uciekającej czarnej dziury w postaci najbardziej podstawowej formy energii.

jmarina
źródło
3
OK, czy ktokolwiek oznaczyłby tutaj odpowiedzi jako „brak odpowiedzi”, przestań? Pod flagami znajduje się opis wyjaśniający, kiedy należy ich użyć, i nie dotyczy to żadnej z odpowiedzi tutaj w tym wątku. Jeśli nie jest to jasne, zajrzyj na strony naszego centrum pomocy lub odwiedź nas na czacie astronomicznym, aby przedyskutować, co Twoim zdaniem może być nie tak z dowolną z podanych tutaj odpowiedzi. Flagi powinny być używane do pilnych problemów z postami, a nie do wskazywania na niezgodność z nimi. Po to jest głosowanie! Dzięki!
TildalWave,