Warum wird ein Schwarzes Loch als massiv bezeichnet? [Duplikat]

Wie Sie sagen, Photonen haben keine Ruhemasse , also ist ihre Ruheenergie Null. Photonen haben jedoch einen Impuls$p$, was bedeutet, dass sie Energie haben$E = hc/\lambda = p/c$(unter Verwendung der De-Broglie-Beziehung) wo$c$ist die Lichtgeschwindigkeit. In der speziellen Relativitätstheorie gibt es keine Schwerkraft, und masselose Teilchen, dh Photonen, bewegen sich entlang einer Null-Geodäte , die den Lichtkegel für jedes Ereignis in der Raumzeit definiert. Die Allgemeine Relativitätstheorie (GR) subsumiert die spezielle Relativitätstheorie durch die Äquivalenz von Trägheit und Schwerkraft, da die Freifallgleichung die geodätische Gleichung ist . Licht bewegt sich immer noch entlang Null-Geodäten, aber diese Trajektorien werden in Gegenwart der Schwerkraft " gebogen ". Beispielsweise war die Messung der Lichtbeugung der Sonne um den Mond während einer Sonnenfinsternis eine der ersten experimentellen Validierungen von Vorhersagen von GR.

Ein Schwarzes Loch (BH) ist eine Vorhersage von GR, das heißt, ein BH ist eine Lösung für Einsteins Feldgleichungen. Nicht rotierende und elektrisch neutrale BHs werden (einzigartig) durch die Schwarzschild- Lösung modelliert, die davon ausgeht, dass die Raumzeit leer ist und eine sphärische Symmetrie hat - diese Symmetrie erzwingt eine physikalische Singularität bei$r = 0$Wo$r$ist die Schwarzschild-Radialkoordinate, parametrisiert durch eine Größe$m$befindet sich$r = 0$die Masse des BH genannt.

Zu sagen, dass "ein schwarzes Loch dort ist, wo Licht nicht entkommen kann", ist meiner Meinung nach grenzwertig zu einfach. Vielleicht eine bessere Beschreibung der Seltsamkeit von BHs: Stellen Sie sich zwei Beobachter vor, A ist im Unendlichen (sehr weit entfernt) und beobachtet, wie B radial auf einen BH fällt. Aus der Perspektive von B fällt B gerade in den BH, nachdem er den Ereignishorizont passiert hat (die Oberfläche, auf der die Fluchtgeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist$c$). Beobachter A sieht B niemals den Ereignishorizont passieren, da sich B vom Horizont in Richtung der physikalischen Singularität bei bewegt$r = 0$Es dauert unendlich lange, bis Informationen aus dem Horizont entweichen. Somit sieht Beobachter A, dass Beobachter B unendlich viel Zeit braucht, um den Ereignishorizont des BH zu passieren, obwohl B den Ereignishorizont bereits passiert hat. Dies ist ein Beispiel für den Verlust der Gleichzeitigkeit , dem Sie in der Einführung in die spezielle Relativitätstheorie begegnen, bevor Sie BHs studieren. Es ist keine Illusion – es ist ein realer, physikalischer Unterschied in der Fähigkeit, Ereignisse aufgrund der Anwesenheit von Schwerkraft und relativer Bewegung zu messen.

Wenn also Beobachter B einfällt, während er eine Taschenlampe zurück auf Beobachter A richtet, wird das Licht, nachdem B den Ereignishorizont passiert hat, relativ zu A unendlich rotverschoben. Das meint Hawking mit "nicht einmal Licht darf dem Ereignishorizont von BH entkommen". - Das Licht von B wird am Ereignishorizont (der Fläche, auf der die Fluchtgeschwindigkeit des BH gleich der Lichtgeschwindigkeit ist) relativ zu A in der Wellenlänge unendlich gestreckt. Anders ausgedrückt :

Aus der Perspektive eines Beobachters, der außerhalb des Lochs stationiert ist (und hoffentlich vor Schaden geschützt ist), lehrt die Allgemeine Relativitätstheorie, dass eine Uhr, die in das Loch fällt, immer langsamer zu laufen scheint, je näher sie sich dem Ereignishorizont nähert. Die Zeit zwischen jedem "Tick" (gemessen von einer Uhr, die sich lokal am Beobachter befindet) verlängert sich unbegrenzt und nähert sich der Unendlichkeit, wenn sich die Uhr dem Ereignishorizont nähert. Der "letzte Tick", bevor die Uhr in das Loch fällt, wird niemals in endlicher Zeit beobachtet werden. Die Uhr erscheint immer innerhalb des bekannten Universums und außerhalb des Lochs.

Der Begriff "ein Loch in die Raumzeit reißen" unterscheidet sich von einem Schwarzen Loch, siehe z. B. die Antwort von J. Rennie hier . Ein Schwarzes Loch kann man sich als einen Bereich des Weltraums vorstellen, in dem die Dichte unendlich ist: dh für eine endliche Masse geht das Volumen gegen Null. Aber selbst diese einfache Sicht gerät in Schwierigkeiten, wenn man beginnt, die BH-Lösungen der EFEs zu untersuchen.

BH-Massen wurden experimentell durch Beobachtungen von Akkretionsflüssen in Röntgendoppelsternen mit Sternmasse-BHs und durch Gravitationswellendetektionen von Sternmasse-Doppelstern-BH-Verschmelzungen ($5 \lesssim m \lesssim 100 M_{\odot}$) und durch akkretionsgetriebene aktive galaktische Kerne und dynamisch durch Effekte auf nahe Sterne und Gas von supermassereichen BHs ($10^5 \lesssim m \lesssim 10^9 M_{\odot}$). Das ist eine schöne Grafik. Der erste zuverlässige Nachweis eines BH mit mittlerer Masse, genannt GW190521 , wurde kürzlich durch LIGO/Virgo-Gravitationswellendetektion erreicht. Schwarze Löcher mit stellarer Masse bilden sich als Endprodukte der Sternentwicklung, während der Ursprung von supermassiven Schwarzen Löchern weniger sicher ist, aber vermutlich aus „Samen“ stammt . Von diesen astrophysikalischen BHs wird aus verschiedenen Gründen erwartet, dass sie einen Spin haben, und sie werden als Kerr- BHs modelliert.