Одной из проблем, с которыми сталкиваются исследователи черных дыр - это то как они образуются. Но какие условия должны выполняться для того, чтобы тело смогло стать черной дырой?
Радиусом Шварцшильда называют понятие из общей теории относительности, которое обозначает радиус сферы, в пределах которой масса может быть сосредоточена в точке, чтобы создать черную дыру без учета вращения и электрического заряда. Этот радиус зависит только от массы объекта.
Но что лежит в основе этого понятия? откуда оно появилось? К чему применимо и что демонстрирует? Чтобы ответить на все эти и другие вопросы давайте углубимся в тему.
Общая теория относительности
Общая теория относительности (ОТО) — это фундаментальная теория гравитации, разработанная Альбертом Эйнштейном в начале 20 века. Эта теория представляет собой геометрическую модель пространства и времени, которая объясняет, как масса и энергия искривляют пространство-время, а также как движение объектов определяется этой искривленной геометрией.
В основе ОТО лежат несколько ключевых концепций. Поговорим о некоторых из них.
Пространство-время
Обычно мы привыкли думать о пространстве и времени как отдельных сущностях, но в ОТО они объединены в единое целое — пространство-время. В этой модели пространство и время становятся взаимозависимыми и могут быть искривлены массой и энергией.
Искривление пространства-времени
Массивные объекты, такие как планеты, звезды и черные дыры, искривляют пространство-время в своем окружении. Это искривление приводит к изменению путей движения других объектов, проходящих через это искривленное пространство.
Гравитация как результат искривления
В ОТО гравитация не является силой, действующей на расстоянии, как в классической механике Ньютона. Вместо этого гравитация объявляется результатом искривления пространства-времени, вызванным массой и энергией.
Уравнения Эйнштейна
Эти уравнения являются основными уравнениями общей теории относительности и описывают связь между распределением массы и энергии в пространстве-времени и его геометрией.
Уравнения Эйнштейна - это уравнения гравитационного поля, связывающие между собой компоненты метрического тензора искривлённого пространства-времени с компонентами тензора энергии-импульса материи, заполняющей пространство-время. Термин используется и в единственном числе: «уравнение Эйнштейна», так как в тензорной записи это одно уравнение, хотя в компонентах представляет собой систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Уравнение связывает между собой тензоры 4×4, то есть, формально говоря, содержит 16 скалярных уравнений. Однако, симметричность тензоров и тождества Бьянки приводят к уменьшению числа независимых уравнений до 6.
Общая теория относительности имеет множество экспериментальных подтверждений и успешно объясняет множество явлений, связанных с гравитацией и космологией, включая движение планет, гравитационные линзы, черные дыры и расширение Вселенной. Но в рамках нашей темы нам скорее будет интересно упомянуть черные дыры.
Черная дыра
Черная дыра - это область космического пространства, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может покинуть её. Это происходит из-за коллапса массивной звезды в её конечной стадии эволюции или после столкновения звёзд. Когда масса внутренней части звезды сжимается до определенного предела, она формирует черную дыру.
Радиус Шварцшильда - это расстояние от центра черной дыры до её "событийного горизонта". Термин был введён в научный обиход немецким учёным Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Этот радиус определяется формулой обозначенной на рисунке ниже
где G — гравитационная постоянная, M — масса черной дыры, c — скорость света.
Когда масса звезды сжимается до радиуса Шварцшильда, она становится черной дырой. Это происходит потому, что внутренние силы, которые обычно препятствуют коллапсу звезды под воздействием собственной гравитации, больше не могут удерживать её, и звезда коллапсирует в черную дыру. В этот момент образуется "горизонт событий".
Горизонт событий — граница, за которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни свет, ни что-либо ещё не могут покинуть черную дыру.
Таким образом, радиус Шварцшильда является критическим расстоянием, которое определяет, когда объект достаточно плотный, чтобы стать черной дырой, и где начинается область в космосе, из которой нет возврата.
