Sterrekunde

Bring Hawking-bestraling in werklikheid massa in die heelal?

Bring Hawking-bestraling in werklikheid massa in die heelal?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Soos ek verstaan, is virtuele deeltjiespare, bv. elektron en positron ontstaan ​​spontaan vir 'n klein tydperk, dan vernietig hulle.

Wanneer virtuele elektron en virtuele positron vernietig, moet ons sien dat twee fotone in teenoorgestelde rigtings uitgestraal word, of hoe? As dit so is, moet ons nie fotone wat uit vakuum verskyn, opspoor vir so 'n paar nie?

Ook wanneer 'n paar virtuele deeltjies naby die horison van 'n swart gat verskyn, kan een deeltjie deur die swart gat gevang word, terwyl die ander daaraan ontsnap. Albei deeltjies het massa en energie. So gevang deeltjie bring die swart gat sy massa. Dan hoe die swart gat verloor massa deur Hawking-bestraling? Moet dit nie eerder massa kry nie?


Die swart gat verloor massa om Hawking-straling te genereer. Die energie wat deur die straling gedra word, is presies eweredig aan die massa wat deur die swart gat verlore gaan volgens Einstein se formule E = mc ^ 2

Geen nuwe massa word op hierdie manier na die heelal gebring nie.

WYSIG:

(Hou in gedagte dat die onderstaande uiteensetting nie streng is nie. Soos Stephen Hawking self gesê het, dit is meer 'n geestelike model, goed genoeg om dinge te visualiseer.)

Virtuele deeltjies word virtueel genoem omdat dit nie regtig in die gesonde verstand "bestaan" nie. Hulle het massa en hulle het energie. As gevolg van Heisenberg se onsekerheidsbeginsel, is dit goed as deeltjies met 'n totale energie E amper 'n kort rukkie 'bestaan', solank hulle daarna weer na niks terugkeer nie.

Die produksie / vernietiging van virtuele deeltjies kan die hele tyd en oral gebeur, nie net aan die rand van 'n swart gat nie. Dit is goed, solank dit lyk asof elke deeltjie net 'n kort tydjie 'bestaan'. Behoud van energie word nie geskend nie.

Aan die rand van 'n swart gat gebeur daar egter iets anders. U het 'n paar virtuele deeltjies wat opduik. Kort daarna word een van die deeltjies deur die swart gat vasgevang, terwyl die ander deeltjie daarvan wegbeweeg. Aangesien die gevange deeltjie virtueel is, het dit nie regtig massa en / of energie nie. Geen nuwe massa word by die swart gat gevoeg nie.

Nou kan die twee deeltjies mekaar nie weer vernietig nie. U het dus een enkele deeltjie wat wegbeweeg van die swart gat. Dit is nie meer 'n virtuele deeltjie nie, dit is 'n ware deeltjie. Maar dit het energie en miskien het dit ook massa. Waar kom die energie vandaan?

Die energie wat benodig word om die nuwe deeltjie werklik te maak, kom uit die swaartekragveld van die swart gat. Die swart gat verloor massa om die skepping van werklike deeltjies aan te dryf wat daarvan wegbeweeg.

Weereens, moenie in die besonderhede vassit nie. Dit is nie wat regtig gebeur nie. Dit is meer soos 'n metafoor.


Stephen Hawking en die swartgateteorie was reg

Nuwe studie ontleed swaartekraggolwe om wyle Stephen Hawking se stelling oor swart gate te bevestig.

Model van spiraalvormige swart gate wat met mekaar saamsmelt.

  • 'N Nuwe artikel bevestig die stelling van Stephen Hawking oor die swart gate.
  • Die navorsers het gravitasiegolfdata gebruik om die stelling te bewys.
  • Die data is afkomstig van Caltech en MIT se Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

Wyle Stephen Hawking se stelling vir swart gate is korrek, blyk uit 'n nuwe studie. Wetenskaplikes het gravitasiegolwe gebruik om die beroemde Britse fisikus se idee te bewys, wat kan lei tot die ontbloting van meer onderliggende wette van die heelal.

Die stelling, wat Hawking in 1971 uitgewerk het, gebruik Einstein se algemene relatiwiteitsteorie as 'n springplank om tot die gevolgtrekking te kom dat die oppervlak van 'n swart gat mettertyd nie kleiner kan word nie. Die stelling kom ooreen met die tweede wet van die termodinamika wat sê dat die entropie (wanorde) van 'n geslote stelsel nie mettertyd kan afneem nie. Aangesien die entropie van 'n swart gat eweredig is aan die oppervlak, moet albei bly toeneem.

Namate 'n swart gat meer materie verslind, groei die massa en oppervlak. Maar soos dit groei, draai dit ook vinniger, wat die oppervlak verminder. Hawking se stelling beweer dat die toename in oppervlakte wat afkomstig is van die toegevoegde massa altyd groter sal wees as die afname in oppervlakte as gevolg van die ekstra draai.

Will Farr, een van die mede-outeurs van die studie wat in Fisiese oorsigbriewe, het gesê dat hul bevinding bewys dat 'swartgatgebiede iets fundamenteel en belangrik is.' Sy kollega Maximiliano Isi stem saam in 'n onderhoud met Live Science: "Swart gate het 'n entropie, en dit is eweredig aan hul gebied. Dit is nie net 'n snaakse toeval nie, dit is 'n diep feit wat hulle openbaar."

Die navorsingspan het hul gevolgtrekkings gebaseer op die data van die swaartekraggolwe wat in 2015 deur Caltech en MIT se Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opgemerk is.

Wat is gravitasiegolwe?

Swaartekraggolwe is 'rimpels' in die ruimtetyd, wat Albert Einstein in 1916 voorspel het, wat geskep word deur baie gewelddadige prosesse wat in die ruimte plaasvind. Einstein het getoon dat baie massiewe, vinnige ruimtevoorwerpe soos neutronsterre of swart gate wat om mekaar wentel, versteurings in die ruimtetyd kan veroorsaak. Soos rimpelings wat veroorsaak word deur 'n rots in 'n meer te gooi, sou hulle 'golwe' van ruimtetyd bewerkstellig wat in alle rigtings sou versprei.

Soos LIGO gedeel het: 'Hierdie kosmiese rimpelinge sal teen die spoed van die lig beweeg en inligting oor hul oorsprong meevoer, asook leidrade vir die aard van swaartekrag self.'

Die swaartekraggolwe wat deur LIGO se 3000 kilometer lange laserstraal ontdek is, wat die kleinste vervorming in die ruimtetyd kan opspoor, is 1,3 miljard jaar gelede gegenereer deur twee reuse swart gate wat vinnig na mekaar toe gedraai het.

Wat Stephen Hawking sou ontdek het as hy langer sou lewe | NASA se Michelle Thaller | Groot Dink www.youtube.com

Bevestiging van Hawking se stelling vir swart gate

Die navorsers het die sein in twee dele geskei, afhangend van of dit van voor of nadat die swart gate saamgesmelt het. Dit het hulle in staat gestel om die massa en draai van die oorspronklike swart gate asook die massa en draai van die saamgevoegde swart gat uit te vind. Met hierdie inligting bereken hulle die oppervlaktes van die swart gate voor en na die samesmelting.

"Namate hulle vinniger en vinniger om mekaar draai, neem die swaartekraggolwe meer en meer in amplitude toe totdat hulle uiteindelik in mekaar stort - dit maak hierdie groot golwe," het Isi uitgebrei. "Wat u agterbly, is 'n nuwe swart gat wat in hierdie opgewonde toestand is, wat u dan kan bestudeer deur te ontleed hoe dit vibreer. Dit is asof u 'n klok bel, die spesifieke toonhoogtes en die tydsduur waarmee dit lui, u die struktuur sal vertel van daardie klok, en ook waaruit dit gemaak is. '

Die oppervlakte van die resulterende swart gate was groter as die gesamentlike oppervlakte van die oorspronklike swart gate. Dit is in ooreenstemming met Hawking se gebiedswet.


Emissieproses

Swart gate is terreine met 'n groot aantrekkingskrag waarheen omliggende materie deur gravitasiekragte getrek word. Klassiek is die gravitasie so kragtig dat niks, selfs nie straling, uit die swart gat kan ontsnap nie. Deur egter 'n berekening te doen in die raamwerk van die kwantumveldteorie in geboë ruimtetye, het Hawking getoon dat kwantumeffekte toelaat dat swart gate straling in 'n termiese spektrum uitstraal.

'N Mens kan fisiese insig in die proses verkry deur jou voor te stel dat (deeltjie-antipartikel) straling van net buite die gebeurtenishorison uitgestraal word. Hierdie bestraling kom nie direk van die swart gat self nie, maar is eerder die gevolg van virtuele deeltjies wat deur die gravitasie van die swart gat 'versterk' word tot werklike deeltjies.

'N Swart gat van een sonmassa het 'n temperatuur van net 60 nanokelviene, so 'n swart gat absorbeer baie meer kosmiese mikrogolf-agtergrondstraling as wat dit uitstraal. 'N Swart gat van 4,5 & keer 10 & sup2 & sup2 kg (ongeveer die massa van die maan) sou in ewewig wees met 2,7 kelvin, wat soveel straling absorbeer as wat dit uitstraal. Tog sal kleiner oer-swart gate meer uitstraal as wat dit absorbeer, en daardeur massa verloor.

Die trans-Planckian-probleem kan twyfel laat ontstaan ​​oor die fisiese geldigheid van Hawking se resultaat. Hawking se oorspronklike afleiding het veldmetodes met 'n arbitrêre hoë frekwensie naby die swartgathorison gebruik, hoewel dit nie in die finale resultaat voorkom nie. Hy gebruik veral frekwensiemetodes wat hoër is as die omgekeerde Planck-tyd, en op hierdie skale is die fisiese wette onbekend. 'N Aantal alternatiewe benaderings tot die Hawking-bestraling het verskyn om hierdie probleem te probeer oorkom of aan te spreek. Sommige hiervan hou verband met die Unruh-effek.

Die Hawking-bestraling toon dat die wette van die swartgat-termodinamika 'n volledige fisiese betekenis het.


Virtuele deeltjies: Iets uit niks.

Die algemene siening van 'n vakuum is om dit leeg en onaktief te beskou, maar een van die sleutelbeginsels van die kwantummeganika, die Heisenberg-onsekerheidsbeginsel en die ingewikkeldhede van die kwantumveldteorie, laat hierdie konsep twyfel. Om dit die beste te verstaan, moet ons die kompleksiteit van die kwantumveldteorie vir die oomblik kortweg ignoreer, aangesien die Heisenberg-onsekerheidsbeginsel ons 'n bevredigende, hoewel onvolledige, model gee om te oorweeg.

Stel jou voor dat ons 'n klein hoeveelheid ruimte in 'n boks van een of ander aard kan isoleer en dit vir 'n baie presiese tyd kan verseël. Aangesien ons die tydperk van hierdie isolasie met min onsekerheid ken, eis Heisenberg se onsekerheidsbeginsel 'n groot onsekerheid in die energie-inhoud van die boks vir hierdie tydperk. Dit beteken dat u die moontlikheid aanvaar dat deeltjies wat energie dra binne die boks verskyn en verdwyn. Maar die behoud van energie en die idee dat energie blykbaar nie geskep of vernietig kan word nie, sou dit nie toelaat nie. As die energie van hierdie gebied aan die begin van hierdie periode van isolasie nul was, hoe sou deeltjies wat energie dra eenvoudig verskyn?

Die antwoord is as die deeltjies wat uit die vakuum verskyn, dit doen in materiële deeltjies / anti-materie virtuele deeltjiespare en dan vernietig. Dit staan ​​bekend as 'virtuele deeltjies', aangesien dit vir so 'n kort tydperk voor vernietiging bestaan, sonder om te ontsnap of waar te neem. Stel u dus voor dat 'n elektron met 'n lading van -0,511 MeV in die kassie verskyn. Om te verseker dat die behoud van energie nie geskend word nie, moet 'n anti-elektron ook 'n positron met 'n lading van 0,511 MeV verskyn. Analoog, die vakuum van die ruimte het 'n oortrokke fasiliteit. Dit laat toe dat deeltjies geleen kan word, maar slegs vir 'n kort tydperk voordat die energieskuld via die vernietigingsproses 'terugbetaal' word.

Die kwantumveldteorie sê dat hierdie deeltjies voorkom as gevolg van die versteuring van onderliggende kwantumvelde wat die hele heelal bewoon. So 'n versteuring kan veroorsaak word deur die kromming van die ruimte-tyd, wat volgens algemene relatiwiteit die belangrikste is rondom voorwerpe met 'n ongelooflike massa, soos swart gate. Ons moet dus verwag dat hierdie ruimtelike gebiede siedend sal wees met die skepping en vernietiging van pare. Dit het Hawking laat nadink, wat sou gebeur met virtuele deeltjies wat hul bestaan ​​begin het tydens die horison van 'n swart gat?


Jammer, Stephen Hawking, maar elke swart gat groei steeds, en verval nie

Die gebeurtenishorison van 'n swart gat is 'n sferiese of sferoïedale gebied waaruit niks, selfs nie. [+] lig, kan ontsnap. Maar buite die gebeurtenishorison word voorspel dat die swart gat straling sal uitstraal. Hawking se 1974-werk was die eerste wat dit getoon het, en dit was waarskynlik sy grootste wetenskaplike prestasie.

NASA DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

Swartgate is op baie maniere die mees ekstreme voorwerpe wat daar ooit in ons heelal sal bestaan. Gewoonlik gevorm uit die dood van baie massiewe sterre, is 'n swart gat die plek waar 'n enorme hoeveelheid massa in so 'n klein volume gekonsentreer word dat niks binne sy gewigstrek binne 'n sekere omgewing kan ontsnap nie. Binne die bekendste horison van die swart gat, kan nie eens die lig self uit 'n swart gat ontsnap nie.

Maar dit beteken nie dat swart gate vir ewig sal lewe nie, inteendeel, hulle vergaan stadig weens 'n verskynsel wat bekend staan ​​as Hawking-bestraling. Hoe sterker die kromming van die ruimte buite die gebeurtenishorison is, hoe vinniger verval die swart gat. Op grond van die swart gate wat in ons Heelal kan bestaan, kan u u afvra hoeveel het nou verval of verval. Na 13,8 miljard jaar is die verrassende antwoord nul. Hier is die wetenskap van waarom.

Die massa van 'n swart gat is die enigste bepalende faktor vir die radius van die gebeurtenishorison, vir a. [+] nie-draaiende, geïsoleerde swart gat. Vir 'n swart gat van

1 sonmassa, sou die gebeurtenishorison ongeveer 3 kilometer in radius wees.

Daar is, na ons beste wete, slegs drie maniere waarop die Heelal in die eerste plek 'n swart gat moet skep. U kan 'n swart gat maak as gevolg van:

  1. 'n supernova, waar 'n massiewe ster met die regte eienskappe brandstof in sy kern het, wat dan onder sy eie swaartekrag ineenstort, wat lei tot 'n swart gat as die kernmassa hoog genoeg is,
  2. 'n samesmelting van twee sterre-oorblyfsels, soos twee neutronsterre, waar die totale massa van die samesmeltende voorwerpe 'n sekere drempel oorskry, of
  3. direkte ineenstorting, waar 'n groot, digte klomp materie self deur 'n kritieke drumpel trek, wat óf 'n gaswolk óf 'n massiewe ster direk in 'n swart gat verander sonder enige tussenbeide ramp.

Dit is bekend dat al drie dit voorkom en leer ons watter soorte swart gate in ons heelal bestaan.

Benewens die vorming deur supernovas en neutronster-samesmeltings, moet dit ook vir swart moontlik wees. [+] gate om te vorm via direkte ineenstorting. Simulasies soos die wat hier getoon word, toon aan dat in die regte toestand swart swart gate van 100.000 tot 1.000.000 sonmassas in die vroeë stadium van die heelal kan vorm.

Die lae-end-drempel vir 'n swart gat is ongeveer 2,5 sonmassas. As u massa onder die drempel is, sal individuele supernovas of samesmeltings net tot die vorming van 'n neutronster lei, maar die druk wat deur die individuele deeltjies gegenereer word, is sterk genoeg om die voorwerp teen gravitasie ineen te hou. Maar as u die maksimum massa vir 'n neutronster oorskry - 2,5 sonmassas as dit nie tot 2,75 sonmassas vir die vinnigste draai nie - sal u onvermydelik 'n swart gat vorm.

Maar dit is ook maklik om groter, swaarder swart gate te maak. Massiewe sterre lewer massiewe swart gate op. Swart gate smelt saam, absorbeer en akkreteer materie en energie. Enigiets wat deur die gebeurtenishorison gaan, word by die totale massa gevoeg. Teen die huidige dag het swart gate massas van soveel as tienmiljoene keer ons son se massa bereik, met talle voorbeelde wat ontdek is.

'N X-straal- en radiokomposiet van OJ 287 tydens een van die fakkelende fases daarvan. Die 'orbitale roete' wat. [+] wat u in albei aansigte sien, is 'n aanduiding van die beweging van die sekondêre swart gat. Hierdie stelsel is 'n binêre supermassiewe stelsel, waar die een komponent ongeveer 18 miljard sonmassas is en die ander een 150 miljoen sonmassas. Daar is nou swart gate in meer as 10 miljard sonmassas gevind in 'n groot aantal stelsels. Dit is ongewoon, maar bestaan ​​in groot getalle.

Onwaar kleur: X-straalbeeld van die Chandra X-straal-sterrewag kontoere: 1,4 GHz radio beeld van die Very Large Array

Elke swart gat het 'n gebeurtenishorison: 'n streek waaruit niks, selfs nie lig nie, kan ontsnap. Enigiets wat verby die grens van die gebeurtenishorison val, ongeag of dit 'n massa het of nie, sal uiteindelik die sentrale singulariteit van die swart gat raakloop, wat die totale energie-inhoud van die swart gat sal toevoeg. As die massa / energie van 'n swart gat groei, groei die fisiese grootte van die gebeurtenishorison egter ook.

Dit is 'n diep waarheid oor alle swart gate: hoe meer massa (of energie) hulle het, hoe groter is die fisiese grootte van hul gebeurtenishorison. Verdubbel die massa en jy verdubbel die radius van jou gebeurtenishorison. 'N Swart gat van 6 miljard sonmassas het 'n gebeurtenishorison wat 'n miljard keer groter is as 'n swart gat van net 6 sonmassas. Trouens, die rede waarom ons ooit 'n swart gat se gebeurtenishorison direk kon beeld, is omdat ons toevallig 'n groot, supermassiewe een het wat net 50 miljoen ligjare weg is.

Die eerste vrygestelde beeld van die Event Horizon Telescope het resolusies van 22,5 mikrosekondes behaal,. [+] sodat die skikking die geleentheidshorison van die swart gat in die middel van M87 kan oplos. 'N Enkel-skotteleskoop moet 12 000 km in deursnee wees om dieselfde skerpte te bereik. Let op die verskillende voorkoms tussen die 5/6 April beelde en die 10/11 April beelde, wat toon dat die funksies rondom die swart gat mettertyd verander. Dit help om die belangrikheid daarvan te demonstreer om die verskillende waarnemings te sinkroniseer, eerder as om dit net te bereken.

Samewerking van Horizon Telescope by geleentheid

Maar wat nog dieper aan swart gate is, is dat hulle voortdurend bestraling uitstraal, wat veroorsaak dat hulle baie stadig massa verloor en verdamp. Die rede hiervoor is dat u altyd in kwantumvelde, selfs as daar geen materie of energie is nie, selfs in 'n leë ruimte. Die feit dat ons die fundamentele kragte en interaksies het wat ons in hierdie heelal doen, beteken dat die velde wat hulle regeer oral is. Die oplossing met 'n leë ruimte (of vakuumtoestand) is die laagste energie-toestand wat die velde mag besit.

Maar al hierdie berekeninge word in 'n plat, ongeboë ruimte gedoen. As u ruimte geboë is, veral as dit baie sterk gebuig is (soos naby die horison van 'n swart gat), sal die laagste energie-toestand van die velde anders wees as die plat-ruimte-oplossing. Hawking-bestraling is ontdek deur die belangrike verskille tussen die geboë ruimte (naby die swart gat) en die plat ruimte (ver weg van die swart gat) te bereken.

Wanneer 'n ster naby 'n supermassiewe swart gat gaan, kom dit in 'n gebied waar ruimte meer is. [+] erg geboë, en dus het die lig wat daaruit uitgestraal word, 'n groter potensiaal om uit te klim. Die kwantumvakuum, wat 'n eienskap van leë ruimte self is, verskil in geboë ruimte (naby 'n swart gat) van plat ruimte (ver weg daarvan).

Wat ons uit Hawking-bestraling leer, is baie belangrik. Dit vertel ons:

  • hoeveel straling word vrygestel,
  • wat die tempo van massa / energieverlies is,
  • hoe dit afhang van die totale massa van die swart gat en die grootte van die gebeurtenishorison,
  • en wat die temperatuur van die bestraling deur 'n swart gat is.

Dit kan 'n teenintuïtiewe resultaat wees, maar vanweë die feit dat groter, massiewer swart gate groter horisonne het, is die tempo van Hawking-straling die vinnigste en die hoogste energie in die laagste massa swart gate. Met ander woorde, die kleinste, kleinste massa swart gate is die wat die vinnigste verdamp. As ons wil weet hoe vinnig die vinnigste swart gate verval, moet ons kyk na die laagste massa wat ons kan maak: 2,5 sonmassas.

In plaas daarvan dat twee neutronsterre saamsmelt om 'n gammastraal en 'n oorvloed swaar te produseer. [+] elemente, gevolg deur 'n neutronsterproduk wat dan in 'n swart gat ineenstort, kan 'n direkte-tot-swartgat-samesmelting plaasgevind het op 25 April 2019. Die enigste twee samesmeltende neutronster-neutronster-samesmeltings het albei swart geproduseer gate aan die einde: een van ongeveer 2,7 sonmassas en een van ongeveer 3,5 sonmassas.

National Science Foundation / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

Natuurlik bestaan ​​hierdie swart gate nie net geïsoleerd van die res van die heelal nie. Dit is net so waarskynlik dat al die dinge wat daar is, soos al die ander teëkom: sterre, planete, gas, stof, plasma, nuetrino's, donker materie, bestraling, ens. Selfs as u die mees ekstreme scenario voorstel wat isolasie betref - swart gat in die dieptes van die intergalaktiese ruimte, sonder materie - dit sal steeds straling hê om mee te ding van twee hoofbronne: sterlig en die oorblywende gloed van die oerknal.

Met ongeveer triljoene sterrestelsels in die heelal, wat gemiddeld honderde miljarde sterre bevat, is die totale hoeveelheid energie wat deur die heelal in die vorm van sterlig spoed, enorm: ongeveer 8 miljoen elektronvolts energie per kubieke meter ruimte . Maar die energie van die oerknal se oorskietgloed, die kosmiese mikrogolfagtergrond, is ongeveer 30 keer groter as selfs dit.

Swartgate is bekend daarvoor dat hulle materiaal absorbeer en 'n gebeurtenishorison het waaruit niks kan nie. [+] ontsnap. Alhoewel u 'n swart gat in die heelal heeltemal van die ander saak afgesonder het, sou dit steeds die bestraling teëkom wat die hele ruimte deurdring: van die kosmiese mikrogolf-agtergrond en van die sterlig. Hiervan is geen skild nie.

X-straal: NASA / CXC / UNH / D.Lin et al, Opties: CFHT, Illustrasie: NASA / CXC / M.Weiss

Dit beteken dat daar twee koerse is wat ons moet vergelyk om te leer of 'n swart gat mettertyd aktief verval (meer energie verloor as wat dit optel) of groei (meer energie kry as wat dit verloor). Die Hawking-bestraling wat deur die laagste massa swart gat wat die heelal kan skep, is die maksimum tempo van verlies vir massa en energie, terwyl die hoeveelheid energie wat deur sterlig en die kosmiese mikrogolfagtergrond deur die swart gat geabsorbeer word, die minimum snelheid is. -wins vir massa en energie.

Wat kry ons dan as ons die berekeninge doen?

  • Vir Hawking-bestraling moet hierdie swart gat met die laagste massa (van 2,5 sonmassas) uitstraal by 'n temperatuur van 25 nanokelvin, wat ongeveer 10 -29 J energie per sekonde uitstraal.
  • Vir sterlig plus die kosmiese mikrogolfagtergrond absorbeer dieselfde swart gat (van dieselfde grootte as 'n 2,5 sonmassa swart gat) 'n totaal van ongeveer 800 J energie per sekonde.

Alle massalose deeltjies beweeg teen die snelheid van die lig, maar die verskillende energieë van fotone. [+] vertaal in verskillende golflengtegroottes. Die energie van 'n enkele foton uit die kosmiese mikrogolfagtergrond bevat meer energie as al die Hawking-straling wat gedurende 'n sekonde deur 'n swart gat uitgestraal word vir enige realistiese swart gat in ons heelal.

NASA / Sonoma State University / Aurore Simonnet

Met ander woorde, dit is nie eers naby nie. 'N Enkele foton van die kosmiese mikrogolf-agtergrond dra gemiddeld ongeveer 'n miljoen keer meer energie as al die Hawking-straling wat elke sekonde deur 'n realistiese swart gat vrygestel word. Aangesien 'n 2,5-sonmassa swart gat ongeveer 10 25 van hierdie fotone per sekonde absorbeer, is dit duidelik dat elke swart gat in die heelal groei en nie vergaan nie. As u wil hê dat u swart gat vinniger moet verval, het u twee opsies:

As u 'n swart gat gehad het wat net ongeveer die massa van die planeet Mercurius was, sou die tempo van Hawking-straling groot genoeg wees om die geabsorbeerde straling te balanseer, maar die kleinste swart gat is nog steeds

14 miljoen keer massiewer as Mercurius. As u gewag het totdat die heelal ongeveer sou wees

10 20 jaar oud, sou die energie van geabsorbeerde sterlig en kosmiese mikrogolf-agtergrondstraling uiteindelik daal tot onder die energie wat deur Hawking-straling vrygestel word, maar dit sal eers plaasvind voordat die heelal 10 miljard keer sy huidige ouderdom is.

Die gesimuleerde verval van 'n swart gat het nie net die uitstraling van straling tot gevolg nie, maar ook die verval van. [+] die sentrale wentelmassa wat die meeste voorwerpe stabiel hou. Swartgate sal eers ernstig begin verval, maar sodra die verval die groeikoers oorskry. Vir die swart gate in ons heelal sal dit eers plaasvind voordat die heelal ongeveer tien miljard keer sy huidige ouderdom is.

Dit bly waar dat elke swart gat wat in die heelal bestaan, Hawking-straling moet uitstraal, en dat as u lank genoeg wag, al hierdie swart gate uiteindelik sal verval. Maar in ons heelal tot dusver, gebaseer op die swart gate wat eintlik bestaan, het nog nie een swart gat op 'n sinvolle manier begin verval nie. Die hoeveelheid en energie van die bestraling wat daar is, vanaf sterlig en oorblyfsels van die oerknal, verseker dat swart gate dit absorbeer en baie vinniger groei as wat hulle energie verloor deur dit weg te straal.

Alhoewel dit meer as 45 jaar is sedert Hawking vir die eerste keer agtergekom het dat swart gate straling uitstraal, asook hoe die bestraling moet lyk, is dit heeltemal te flou en yl om dit ooit te bespeur. Tensy daar 'n verrassende swartmassa met 'n lae massa is of as ons bereid is om 'n enorme kosmiese tyd te wag totdat die Heelal afkoel, sal ons dit nooit kan sien nie. Swart gate groei, nie verval nie, en astrofisika leer ons presies waarom.


Stephen Hawking se diagnose met die siekte van Lou Gehrig

Begin omstreeks 1960 het die jong wetenskaplike opgemerk hoe gierig sy toespraak word met elke dag wat verbygaan, en die aantal kere wat hy sy voete teen die meubels geklop het, het ook toegeneem. Daar het nie 'n dag verbygegaan toe hy nie getrap of geval het toe hy na Oxford lesse gekom het nie. Toe hy die simptome nie meer kon wegsteek nie, het sy pa hom, toe 21, na 'n aantal mediese kundiges geneem.

Ongeveer 'n jaar nadat hy aan Oxford studeer het, is Stephen Hawking se lewe op sy kop gekeer toe dokters onthul het dat hy gediagnoseer is met die siekte Lou Gehrig, ook bekend as die amyotrofiese laterale sklerose (ALS). Die eenvoudigste verklaring van die siekte van Lou Gehrig sien die immobilisering van die senuwees van die individu wat verantwoordelik is vir die beheer van die liggaam se spiere. In die geval van Hawking het die mediese kundiges die fisikus 'n ernstige voorspelling gegee en gesê dat hy net minder as drie jaar het om te leef. Die nuus was nie net vir Hawking nie, maar ook vir sy hele gesin 'n harde pil om te sluk.

Hawking vertel van die bui waarin hy was toe dokters die siekte in die vroeë 1960's dieper ondersoek het

Hy weier dat die somber prentjie wat deur dokters geskilder is, hom onderkry en sy akademiese lewe so normaal moontlik verloop. Een van die redes waarom die briljante fisikus sy gestremdheid nie onderkry nie, het te doen gehad met die feit dat hy by 'n jong seun wat aan bloedkanker (leukemie) gely het, vertrek. In vergelyking met die kwaadaardige en verwoestende kanker, het Hawking gevoel dat sy siekte nie ernstig was nie. Hy het geredeneer dat daar slegter moontlike dinge met hom kon gebeur. Daarom het hy voortgegaan met 'n nog duideliker doel vir sy lewe.

Sy diagnose met ALS in alle sin van doel het hom 'n groter impuls gegee om homself nog meer toe te pas in sy gekose studieveld. Dit was bloot 'n bedekte seën, soos Hawking by soveel geleenthede gesê het. Die feit dat sy dokters hom 'n paar jaar gegee het om te lewe, het beteken dat hy nog meer vasbeslote was om sy doktorale proefskrif te voltooi en sy stempel op die gebied van die wetenskap af te lê.


Wat is Hawking-bestraling?

Wanneer pare deeltjies en antideeltjies naby die Event Horizon van a raak Swart gat (buite die rand), kom positiewe energie-deeltjies uit die swaartekrag-invloed van swart naby die gebeurtenishorison, maar negatiewe deeltjies val binne-in die swart gat as gevolg van gebrek aan voldoende energie.

Die waarnemer wat op 'n afstand van die swart gat staan, dink dat swart gate straling uitstraal.

Hierdie positief gelaaide virtuele deeltjies staan ​​bekend as Hawking-straling.

Maar eintlik word hierdie pare nie binne die gebeurtenishorison nie, maar buite die gebeurtenishorison.

Lees hierdie artikel as u diep wil weet hoe hulle straling uitstraal?


Stap 6: Leef ons in 'n oop, geslote of plat kosmos?

Hawking is op pad na 'n baanbrekende gevolgtrekking, maar eers stel hy homself voor deur die idee van die algehele vorm van die ruimte bekend te stel. Daar is drie algemene vorms wat die kromming van die ruimte kan aanneem: oop, toe of plat.

'N Geslote heelal lyk soos die aarde se oppervlak - dit het geen grens nie. U kan aanhou om die planeet rond te reis sonder om tot 'n voorsprong te kom. 'N Oop heelal is meer soos 'n saal gevorm. Soos die naam aandui, is 'n plat heelal soos 'n vel papier.

Stel u 'n driehoek voor wat op die oppervlak getrek is. Ons leer almal op skool dat die hoeke binne 'n driehoek 180 grade is. Dit is egter net die geval vir driehoeke op plat oppervlaktes, nie oop of toe nie. Trek 'n streep vanaf die Aarde se Noordpool tot by die ewenaar voordat u 'n draai van 90 grade neem om daarlangs te beweeg. Draai dan weer 90 grade terug na die Noordpool. Die hoek tussen u pad van en na die Noordpool kan nie nul wees nie, dus moet die hoeke binne daardie driehoek meer as 180 grade wees.


Hoe Stephen Hawking se grootste prestasie opponerende wêrelde van fisika gekoppel het

Stephen Hawking se grootste prestasie het geskyn deur sowel sy fisiese werk as sy uitreik na die publiek, wat gapings oorbrug tussen dinge wat eens onversoenbaar gelyk het. Of hy nou getoon het dat swart gate inderdaad materiaal uitstraal of dat die populêre kultuur die raaisels van die Heelal kon omhels, hy het 'n manier gehad om dinge wat skynbaar onmoontlik is, te laat aansluit.

Voor Hawking is swart gate as die heel geheimsinnigste vullisversamelaars beskou. Daar is eens geglo dat niks die ontsaglike swaartekrag van een van hierdie voorwerpe kan ontkom nie, dit is so dig dat hulle selfs lig trek. Maar Hawking het agtergekom dat iets aan 'n swart gat ontsnap: bestraling. Danksy sy werk weet ons nou dat swart gate nie eers heeltemal swart is nie. (Hulle het eintlik 'n flou gloed oor hulle vanweë die klein hoeveelheid energie wat hulle uitstraal.) Die vergelyking waarmee Hawking vorendag gekom het om te verduidelik hoe hierdie verskynsel werk, het sy belangrikste prestasie geword, een wat na hom genoem is: Hawking-straling. "Hy het die idee gekry dat swart gate 'n temperatuur het," vertel Jonathan McDowell, 'n astrofisikus aan die Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Die rand.

Alhoewel sy werk die fundamentele waarheid van swart gate verbeter, het Hawking-bestraling eintlik versoening gedoen. Sy werk verbind twee botsende konsepte in die teoretiese fisika: kwantummeganika en die relatiwiteitsteorie. "Dit is die twee pilare waarop die fisika nou berus, maar dit is regtig nie versoenbaar met mekaar nie," vertel Raphael Bousso, 'n teoretiese fisikus aan die UC Berkely, wat eens 'n student van Hawking was. Die rand.

Kwantummeganika gaan oor hoe die heelal op die kleinste vlak werk - hoe tienerdeeltjies soos elektrone en positrone beweeg en verbind. As u byvoorbeeld wil weet hoe atome aanmekaar vashou, het die kwantummeganika u rug. Aan die ander kant van die skaal is algemene relatiwiteit, wat verklaar hoe swaartekrag werk. Dit is die idee dat groot voorwerpe van die heelal - soos planete, sterre en sterrestelsels - die ruimte en tyd rondom hulle buig. En dit bepaal hoe hierdie voorwerpe in die ruimte met mekaar kommunikeer.

Die twee teorieë is albei sterk, gerugsteun deur baie wetenskap en waarneming. Maar dit lyk asof hulle in konflik is, en dit pas nooit regtig nie, maak nie saak hoe hard mense probeer nie. En dit is 'n probleem vir fisici, want dit gaan oor eenvoud. "Ons wil meer en meer verskynsels met minder fundamentele bestanddele kan beskryf," sê Bousso.

Maar Hawking het 'n manier gevind om groot en klein bymekaar te bring. Hy het op 'n baie klein skaal gekyk wat rondom 'n baie massiewe voorwerp gebeur - een met baie swaartekrag. Hy het spesifiek geanaliseer hoe deeltjies interaksie het aan die rand van 'n swart gat, bekend as die gebeurtenishorison. Hierdie grens word dikwels 'die punt van geen terugkeer' genoem. Sodra u hierdie lyn oorsteek, gaan u die swart gat in, ongeag wat - tensy u 'n manier uitgevind het om vinniger as die ligspoed te reis. (Bederf: jy kan nie.)

'N Artistieke weergawe van 'n ster wat deur 'n swart gat uitmekaargetrek word. Beeld: NASA

Here’s where we get small: according to quantum mechanics, the vacuum of space isn’t really empty. Instead, virtual particles are popping in and out of existence in the vacuum all the time. These particles pop up tangled together as opposite pairs: one particle with positive energy and one negative, a yin and a yang. What happens to one affects the other. Typically, the pair will come together quickly and cancel each other out. But if they form on the event horizon, that’s not what happens. Things start to get weird.

A particle pair that straddles the event horizon will be wrenched apart. The black hole sucks in the one particle with negative energy while the positive particle is flung away from the black hole. That escaping particle becomes the Hawking radiation, heated up by its escape. The doomed particle becomes part of the black hole. But since it has negative energy, it actually makes the black hole slightly smaller.

If you left a black hole alone, this process would go on for billions and billions of years. Eventually, the black hole would waste away — and then, because black holes are weird, explode. How big is the explosion? “Fairly small by astronomical standards,” Hawking wrote. But it’s still pretty damn big: about the size of 1 million one-megaton hydrogen bombs.

Of course, many black holes are usually surrounded by material that is constantly falling into them. But Hawking showed it was theoretically possible for a black hole to disappear over time in the right conditions. “Black holes won’t last forever,” says McDowell. “Long after all the other stars have died out, the black holes will be glowing and eventually blow up.”

This idea upended physics when it was published in 1974. But it also solved a huge puzzle: if nothing ever escapes from a black hole, that means they’re the Universe’s clean-up crew, eating material that never comes back. But that just didn’t make sense with other physics. There’s a law of thermodynamics that says that the randomness and chaos of a system — known as entropy — cannot decrease over time our messy Universe can’t get cleaner. So how was it possible that black holes were vacuuming up the trash? Hawking’s discovery demonstrated that black holes don’t violate that law of thermodynamics: by emitting radiation, they are also keeping things chaotic. “[He] wasn’t trying to address this puzzle with thermodynamics. It just turned out to be exactly what was needed,” says Ted Jacobson, a theoretical physicist at the University of Maryland.

Photo by Jemal Countess / Getty Images

Hawking radiation didn’t completely solve everything, though. (What does?) It provided an important first step in bridging quantum mechanics and gravity. There are still a lot of things about big and small physics that have yet to be reconciled. Hawking radiation was just one way the ideas could work together.

Hawking radiation opened up some major questions, too. In quantum physics, a particle recipe — the orientation, mass, spin, and other traits of particles — is called information. That information sticks around. When you burn a piece of paper, for instance, the information of what was in that paper is contained in fire, smoke, and ash. If you wanted, you could put the paper back together because you had all the information from it. But Hawking radiation introduced a new conundrum: if black holes are losing mass, where does all their information go?

A black hole’s information is slowly disappearing when it wastes away — and that’s just not supposed to happen! The radiation that the black hole emits doesn’t actually contain information from the black hole, so it seems like all the details are disappearing along the way. “The information should not be completely lost, but in this process, it would be,” Katie Mack, a theoretical astrophysicist at North Carolina State University who is working on a book about the end of the Universe, tells The Verge. It’s called the black hole information paradox, and people have come up with tentative solutions for it, including Hawking himself. But it’s still not completely solved.

Still, what Hawking did was to take a huge step toward a unified theory of physics — a theory of everything, as the recent movie based on his life is titled. We still aren’t totally to that point, but Hawking started building the bridge. And he continued to work on that bridge up until he died. “He gave us problems to work on and directions to go with them. If we solve those problems, we’ll have a better understanding of which fundamental laws truly govern reality,” says Mack.

Hawking’s knack for connection extended beyond just physics. Black holes seem abstract, but he found ways to bring them to everyone. He made people excited about what’s out there. He was media savvy, appearing on The Simpsons, Star Trek, and more. He also wrote popular books about his work. So, in the same way that he connected the big and the small, he also brought people into the cosmological fold, inspiring new generations of scientists to continue learning more about the weirdness of space.


Ask Ethan: How Do Hawking Radiation And Relativistic Jets Escape From A Black Hole?

The most important feature of a black hole is that it has an event horizon: a region of space where the gravitational field is so strong that nothing, not even light, can escape from it. How, then, do we explain the matter and radiation that we both see and predict should come from them? That’s what Russell Sisson wants to know, as he asks:

Everything you read about a black indicates that “nothing, not even light, can escape them”. Then you read that there is Hawking radiation, which “is blackbody radiation that is predicted to be released by black holes”. Then there are relativistic jets that “shoot out of black holes at close to the speed of light”. Obviously, something does come out of black holes, right?

Matter and radiation can definitely come towards us, originating from the black hole’s location. But does that mean something escapes from a black hole? Let’s find out!

When we talk about a black hole, it’s important to recognize what we mean. If you put enough mass together in a small enough volume of space, the curvature of spacetime will become so large that a ray of light, no matter what direction it propagates in, will inevitably arrive back at the central singularity. The escape velocity — or the speed at which you’d need to move to overcome the black hole’s gravitational pull — is greater than the speed of light. A consequence of this is that there’s a critical region, or an event horizon, where once you cross inside of it, you can never get out. Things that are inside the event horizon always hit the singularity things that are outside can either escape or fall in, dependent on their properties.

There are, though, real particles and radiation, both observed and theorized, that does originate from a black hole. Accretion disks are a spectacular example. Imagine you’re a particle outside of a black hole’s event horizon, but gravitationally bound to it. The strong gravitational pull will cause you to move in an elliptical orbit, where your fastest speed corresponds to your closest approach to the black hole. So long as you don’t cross the event horizon, you shouldn’t ever fall in. Occasionally, if there are enough particles in orbit, you’ll interact with the other ones, experiencing inelastic collisions and friction. You’ll heat up, be compelled to move in a more circular orbit, and eventually emit radiation.

This radiation doesn’t come from inside the black hole, but from the matter orbiting outside the event horizon.

Sure, some of the matter will eventually lose enough energy that it will cross over to the inside of the event horizon, arriving at the singularity and increasing the mass of the black hole. But there’s a lot going on in the vicinity of the black hole. There are charged particles of different signs and magnitudes traveling very rapidly: moving close to the speed of light. Charged objects in motion create magnetic fields, and that causes many of the ionized matter particles to be accelerated in a helix-shape, away from the plane of the accretion disk. These accelerating particles are the origin of relativistic jets, producing showers of particles and radiation when they collide with the material farther away from the black hole.

Relativistic jets are a remarkable sight, and in some cases, are so brilliant that they actually appear in visible light. The galaxy Centaurus A has a jet in both directions that becomes large, diffuse and spectacular the galaxy Messier 87 has a single, collimated jet that extends for over 5,000 light years. Both of these are caused by an active, supermassive black hole that’s many times larger than even the four-million-solar-mass monstrosity at the center of the Milky Way.

For accretion disks and relativistic jets, these are phenomena that are observable around black holes, but nothing is coming from inside the black hole and getting out. For Hawking radiation, however, things get a little more complicated. In theory, you can imagine a black hole that was truly in the vacuum of space, with no matter, radiation, or other masses around it. If the black hole weren’t there, all you’d have was the vacuum of flat, uncurved space governed by the fundamental laws of the Universe. But if you put the black hole there, you have curved space, an event horizon, and the laws of physics. And a consequence of that is that you get omnidirectional radiation with a blackbody spectrum to it: Hawking radiation.

The problem with conceptualizing Hawking radiation is the following: all of the radiation originates from outside the event horizon, but the only place to draw energy from is the mass inside the black hole itself. For every quantum of energy (E) released in the form of Hawking radiation, the mass of the black hole (m) has to decrease by an equivalent amount. How much is that? By exactly the amount that Einstein’s most famous equation predicts, E = mc2. But how, then, can radiation from outside a black hole be caused by mass that’s inside a black hole, particularly if nothing can escape the event horizon?

The most common explanation — given by Hawking himself — is also the most wrong. One of the ways you can visualize vacuum energy, or the energy inherent to space itself, is with particle-antiparticle pairs. Empty space, because its zero-point energy is a positive value (rather than zero), can’t be visualized as altogether empty you need something to occupy it. Combining this fact with the Heisenberg uncertainty principle, you arrive at a picture where matter-and-antimatter pairs pop into existence for a very brief amount of time, before annihilating away back into the nothingness of empty space. When one member is outside the event horizon but the other falls in, the “outside” one can escape, carrying energy away, while the “inside” one carries negative energy and decreases the mass of the black hole.

First off, this visualization is not for real particles, but virtual ones. They are calculational tools only, not physically observable entities. Second, the Hawking radiation that leaves a black hole is almost exclusively photons, not matter or antimatter particles. And third, most of the Hawking radiation doesn’t come from the edge of the event horizon, but from a very large region surrounding the black hole. If you must adhere to the particle-antiparticle pairs explanation, it’s better to try and view it as a series of four types of pairs:

where it’s the out-in and in-out pairs that virtually interact, producing photons that carry energy away, where the missing energy comes from the curvature of space, and that in turn decreases the mass of the central black hole.

But the true explanation doesn’t lend itself very well to a visualization, and that troubles a lot of people. What you must calculate is how the quantum field theory of empty space behaves in the highly-curved region around a black hole. Not necessarily right by the event horizon, but over a large, spherical region outside of it. Performing the quantum field theory calculation in curved space yields a surprising solution: that thermal, blackbody radiation is emitted in the space surrounding a black hole’s event horizon. And the smaller the event horizon is, the greater the curvature of space near the event horizon is, and thus the greater the rate of Hawking radiation.

Under no circumstances, however, can we conclude that anything crosses the event horizon from inside to out. Hawking radiation comes from the space outside of the event horizon, and propagates away from the black hole. The loss of energy lowers the mass of the central black hole, eventually leading to total evaporation. Hawking radiation is an incredibly slow process, where a black hole the mass of our Sun would take 10⁶⁷ years to evaporate the one at the Milky Way’s center would require 10⁸⁷ years, and the most massive ones in the Universe could take up to 10¹⁰⁰ years! And whenever a black hole decays, the last thing you see is a brilliant, energetic flash of radiation and high-energy particles.

These final decay steps, which won’t occur until long after the final star has burned out, are the last gasps of energy the Universe has to give off. In it’s own way, it’s the Universe itself trying, one final time, to create an energy imbalance and an opportunity for the creation of complex structures. When the last black hole decays, it will be the Universe’s final attempt to say the same thing it said at the start of the hot Big Bang, “Let there be light!”


Kyk die video: Na Rubu Znanosti 2004 09 21 Svemir kao hologram (Februarie 2023).