Como o espaço-tempo se comporta ao lado de uma estrela
Para entender o que é um buraco negro, você precisa
Um exemplo de espaço homogêneo é o vácuo: um vazio no qual não há partículas.A luz nele contida, de acordo com o princípio de Fermat, deve se moverpelo caminho mais curto. Se a luz se move em um espaço plano, ou seja, bidimensional e não curvo, o caminho mais curto será uma linha reta. Mas acontece que na presença de objetos gravitantes, a luz não se move em linha reta: os raios de luz são desviados. Isto se deve ao fato de que os corpos gravitantes dobram o espaço-tempo.
Na mecânica newtoniana, a distância no espaço é medida separadamente e o tempo é medido separadamente.Por que nós precisamos disso?Para, por exemplo, determinar a trajetória de voo de uma partícula, núcleo, foguete ou aeronave. A teoria da relatividade especial afirma que não existe uma forma separada de medir distância e tempo, mas existe uma forma única de medir distâncias no espaço-tempo. Quando falamos do continuum espaço-tempo, estamos falando de um espaço quadridimensional: três coordenadas mais uma coordenada de tempo. Mas não está muito claro como desenhar o espaço-tempo quadridimensional em uma superfície bidimensional. Sabemos que a posição no espaço pode ser determinada por três coordenadas: x, y, z são coordenadas cartesianas. Por outro lado, podemos determinar com precisão a posição de um ponto no espaço utilizando coordenadas esféricas. Portanto, apenas a coordenada r e a coordenada de tempo podem ser usadas. O resultado é um semiplano, porque r é sempre maior que 0 e o tempo pode variar de menos a mais infinito. Um ponto neste espaço é esta esfera. Por exemplo, no tempo t0, se eu considerar um ponto r0 neste semiplano, então ele é simplesmente algum tipo de esfera de raio r0, tirada no tempo t0.
Existe uma esfera de raio r0,e de qualquer ponto desta esfera são emitidos raios de luz, entrando e saindo.Ou seja, uma frente de onda de luz é obtida que vai para dentro - uma esfera em contração, e vai para fora - uma esfera em expansão. Mas imagine que a qualquer momento o espaço é estratificado
como uma cebola.No tempo t0, é retirada uma esfera de raio r0, de cuja superfície emanam raios. As que vão para dentro formam uma frente com raio r0 - Δr, e as que vão para fora formam uma frente com raio r0 + Δr. A inclinação destas linhas em relação ao eixo vertical é de 45 graus porque a velocidade de propagação é igual à velocidade da luz.
Se estamos lidando com uma partícula quenão se propaga na velocidade da luz, então não pode se mover a uma velocidade maior do que a velocidade da luz e, consequentemente, pode se mover em qualquer direção dentro deste ângulo.
.Se desenharmos raios de luz imaginários usando nosso diagrama, obteremos uma grade imaginária.Esta imagem deixa claro porque escolhi os raiosLuz. Imagine que em vez da luz eu escolheria algumas outras partículas que tivessem massa, então apareceria uma ambigüidade na grade de coordenadas: as partículas podem se mover em qualquer velocidade. Quais são os benefícios da luz? Porque há uma escolha ambígua na direção: para fora ou para dentro, e depois disso a grade é fixada de forma inequívoca.
Como a presença de uma estrela altera a radiação?Vamos imaginar que existe uma estrela comraio do corpo rbody. Isso significa que ele preenche todos os raios até o corpo, porque há alguma substância ali dentro. Num determinado momento - por exemplo, t = 0 - a estrela parece simplesmente um segmento. Se você considerar todos os momentos, obterá uma tira. Agora vamos imaginar o que acontecerá com os raios de luz na presença de um corpo gravitante. Os raios de luz são desenhados em vermelho como seriam na ausência da estrela. E violeta - raios de luz na presença de um corpo gravitante. A partir de considerações gerais, várias conclusões podem ser tiradas: um corpo gravitante distorce os raios de luz, e os raios que estão mais próximos da estrela são distorcidos com mais força do que aqueles que estão mais distantes. Portanto, longe da estrela, os raios violetas praticamente não diferem dos vermelhos.
Imagine que a massa do corpo começará a mudar e o raio será fixo.A massa crescerá e quanto maior for, mais forteo corpo influenciará os raios. Em algum momento a massa aumentará tanto que ocorrerá o seguinte fenômeno. Em algum momento, algum canto estará de ponta-cabeça, ou seja, simplesmente vertical. Tomei o ponto de emissão dos raios violetas não no raio do horizonte, mas um pouco para dentro, para que o feixe não vá verticalmente, mas fique distorcido.
No momento, não há limites para o aumento da massa de um buraco negro. Pelo menos não sabemos.Talvez a questão seja que qualqueruma teoria das ciências naturais tem limites de aplicabilidade, o que significa que, em particular, a teoria da relatividade perde a sua aplicabilidade algures dentro de um buraco negro. A relatividade geral perde sua aplicabilidade muito perto da região onde se concentra quase toda a massa do buraco negro. Mas não se sabe em que raio isso acontece e o que substitui a teoria geral da relatividade. Também não se pode descartar que, se a massa do buraco negro aumentar muito, algo mudará.
A primeira pergunta que deve surgir é: para onde foi a estrela?Como a trajetória de qualquer partícula com massa podeestando só dentro deste canto, ele se move assim (cor vermelha - “High-Tech”) e atinge o centro. Se uma partícula com massa atingir inevitavelmente o centro a partir de qualquer ponto, então toda a massa, todo o corpo da estrela, será comprimido no centro.
O problema é que as coordenadas r e ct só são aplicáveis em uma determinada área e, além disso, não são mais aplicáveis.Imagine o que você tem na superfície da Terraexistem meridianos e paralelos e, com a ajuda deles, você pode encontrar a posição de qualquer objeto. Mas na superfície há uma caverna que vai mais fundo, e a tarefa é determinar a posição da mosca nessa caverna. Longitude e latitude não são mais adequadas para isso, agora você precisa inserir uma nova grade de coordenadas. Há alguma substituição: eu desenhei uma imagem usando r e t para mostrar o fenômeno, mas é importante que não haja mais coordenadas r e t, mas existem algumas outras coordenadas que descrevem o comportamento dentro do buraco negro. Isso significa que o tempo não é direcionado verticalmente, mas flui em direção ao eixo, e isso é mostrado por esses cantos.
Para obter uma grade de coordenadas para o espaço-tempo de um buraco negro, você pode tirar uma foto estática e repetir uma após a outra, "colando" uma à outra.Os raios que saem são desenhados em roxo evermelho - aqueles que entram. Um raio vertical também é um raio de luz, o horizonte. Essas linhas roxas são divididas em dois grupos. Aqueles que são direcionados para fora vão para o infinito, e aqueles que são direcionados para dentro vão para r igual a 0. Esse fenômeno é um buraco negro.
O que acontece com um objeto quando ele cai em um buraco negro
Imagine que um objeto está pairando sobre um buraco negro e seu relógio está correndo, ou o objeto voou para o buraco negro e voltou, e seu relógio também estava correndo.Posso dizer quanto tempo passou pelo relógiocada um desses objetos. Vou apenas calcular o comprimento da linha que ele desenhou neste diagrama e dividir pela velocidade da luz. O que estava pendurado se move em um momento, e o que voa corre em outro momento. Por exemplo, para um pode demorar várias horas, enquanto para outro pode demorar anos. Como no filme Interestelar. Vemos um fenômeno semelhante na Terra, mas não curva tanto o espaço-tempo. Isso é perceptível nos sistemas de posicionamento global: os relógios dos satélites que participam do sistema de posicionamento global mostram uma hora diferente. Se eu voar até um satélite e retornar, meu relógio exibirá uma hora diferente da do satélite. Este fenômeno é levado em consideração para que o GPS funcione.
De acordo com o relógio de um observador que está pairando sobre um buraco negro, um tempo infinitamente longo se passa enquanto ele observa um objeto caindo em um buraco negro.Um objeto que cai em um buraco negro nuncaatravessa o horizonte de eventos. Ele está cada vez mais perto, como Aquiles atrás da tartaruga, mas consegue alcançá-la. De acordo com o relógio do objeto, o tempo final irá passar. Como determinar isso? Meça o comprimento da linha mundial entre paralelos e meridianos iguais. Quanto mais longo for esse segmento, mais curvo ele será. O objeto está voando, os intervalos de tempo estão passando em seu relógio - no gráfico, esses são paralelos espaçados ao longo da linha do mundo por intervalos de tempo iguais Δt. Mas onde o observador está, o intervalo de tempo aumenta, e à medida que nos aproximamos do horizonte de eventos, o intervalo de tempo cresce sem limites. No momento em que um objeto cruza o horizonte de eventos de um buraco negro, um raio de luz imaginário viaja verticalmente ao longo do horizonte e nunca cruza esta linha. Portanto, o observador nunca verá o momento da intersecção e, do ponto de vista do objeto em queda, passa um número finito de intervalos de tempo. Esse fenômeno parece místico, mas quando dizem que o tempo flui de maneiras diferentes. Isso não é inteiramente correto. O tempo não desacelera, o objeto não começa a se mover mais devagar. O tempo estava passando e passando, só que, de acordo com o meu relógio, uma coisa está passando, e de acordo com os relógios de outras pessoas, outra coisa está passando.
Em Interestelar, há um momento em que o personagem principal caiu em um buraco negro.Pelo que entendi, ele voou para o centro e não foirasgou em pedaços. Enquanto caía, voou perto desta matéria de acreção, o disco de acreção, que vemos, e pelo que entendi, emite na faixa dos raios X duros. Mesmo assim, o herói do filme recebeu essa radiação, e provavelmente bastante forte. Em primeiro lugar, foi irradiado e, em segundo lugar, do ponto de vista dos seus companheiros que estavam do lado de fora, voou por um tempo infinitamente longo. Mas, na realidade, isso ocorre dentro de um tempo finito. E então atingiu o centro sem ser despedaçado. O consultor do filme, o físico Kip Thorne, parte do fato de que não sabemos o que está acontecendo no horizonte de eventos, o que significa que pode haver qualquer coisa, por exemplo, um mundo pentadimensional.
Um colisor poderia gerar um buraco negro? O oposto não foi provado!
Em 2008, muitos ouviram falar do físico Rossler, que estava ativamente tentando desligar o Grande Colisor de Hádrons.Ele até tentou processar o governo alemão.Este foi um risco muito sério, porque ele poderia ganhar em tribunal, o que significa que 10% do orçamento do CERN poderia simplesmente desaparecer. Mas o CERN também se afastou de Rosler, e o diretor do Instituto Max Planck disse uma vez que isso não deveria ser deixado ao acaso e que era necessário conversar com Rosler. Além disso, este cientista é qualificado, um físico matemático. Ele ainda tem um atrator não linear que leva seu nome. Ele citou um fato engraçado como contra-argumento contra o LHC. Que os raios cósmicos têm energias mais altas do que no CERN. Portanto, algo irá colidir com a Terra, e talvez um buraco negro se forme, mas ele voa para fora do planeta em grande velocidade e voa para algum lugar, então não o vemos. Mas nem tudo acontece no centro de massa, então em caso de colisão um buraco negro pode ficar ali na Terra, vai ficar ali e aos poucos nos devorar. O diretor do Instituto Albert Einstein reuniu várias pessoas, inclusive eu, e tivemos que “estrangular” esse Rossler e convencê-lo de que estava errado. No entanto, ele não foi ao tribunal.
A teoria prevê que esse buraco negro, que poderia se formar como resultado de uma colisão no colisor, se desintegre imediatamente.Por ser muito microscópico,emitem muito intensamente de acordo com Hawking e irão decair rapidamente. Rossler disse que Hawking era um tolo e estava errado. O buraco vai ficar ali e comer, outra coisa é que ele era pequeno, então ele só pode comer o que for menor que ele, mas isso também leva um tempo. Deve primeiro comer algo pequeno, depois crescer lentamente, depois maior e assim por diante. E essa estratégia de conversação realmente parecia estar ganhando, principalmente no tribunal. Não descartamos que um buraco negro ainda se forme, que Hawking esteja errado e que não decaia. Na verdade, não testamos nada experimentalmente. Todas essas são apenas discussões teóricas.
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