Sind Schwarze Löcher wirklich Singularitäten?

Eine weit verbreitete Annahme über Schwarze Löcher ist, dass ihre Schwerkraft über jede Grenze hinauswächst, so dass sie alle abstoßenden Kräfte besiegt und die Materie zu einer Singularität zusammenbricht. [...] Gibt es Beweise für diese Annahme?

Es ist keine Annahme, es ist eine Berechnung plus ein Theorem, das Singularitätstheorem von Penrose.

Die Berechnung ist die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze für die Masse eines Neutronensterns, die etwa 1,5 bis 3 Sonnenmassen beträgt. Aufgrund von Ungewissheiten über die Kernphysik, die unter diesen extremen Bedingungen involviert ist, gibt es einen ziemlich großen Unsicherheitsbereich, aber es besteht kein wirklicher Zweifel, dass es eine solche Grenze gibt und dass sie in dieser Nachbarschaft liegt. Es ist denkbar, dass es stabile Objekte gibt, die kompakter sind als ein Neutronenstern, aber keine Schwarzen Löcher sind. Es gibt verschiedene spekulative Ideen – schwarze Sterne, Gravasterne, Quarksterne, Bosonensterne, Q-Bälle und elektroschwache Sterne. Alle diese Formen von Materie hätten jedoch auch eine gewisse Grenzmasse, bevor sie ebenfalls kollabieren würden, und Beobachtungsbeweise zeigen, dass Sterne mit Massen von etwa 3-20 Sonnenmassen wirklich bis zu dem Punkt kollabieren, an dem sie können.

Der Singularitätssatz von Penrose besagt, dass sich eine Singularität bilden muss, sobald ein Objekt über einen bestimmten Punkt hinaus kollabiert. Technisch gesehen bedeutet es, dass es irgendwo in der Raumzeit eine Singularität geben muss, wenn Sie eine sogenannte eingeschlossene lichtähnliche Oberfläche haben. Dieser Satz ist wichtig, weil Massengrenzen wie die Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze ein statisches Gleichgewicht voraussetzen. In einem dynamischen System wie einem Kugelsternhaufen ist die allgemeine Situation in der Newtonschen Gravitation, dass die Dinge dies nicht tunZusammenbruch in der Mitte. Sie neigen dazu, vorbeizuschwingen, so wie ein Komet an der Sonne vorbeischwingt, und tatsächlich gibt es eine Drehimpulsbarriere, die einen Kollaps bis zu einem gewissen Punkt unmöglich macht. Das Singularitätstheorem von Penrose sagt uns, dass sich die allgemeine Relativitätstheorie für starke Gravitationsfelder qualitativ anders verhält als die Newtonsche Gravitation, und dass der Kollaps zu einer Singularität in gewissem Sinne ein generisches Ergebnis ist. Der Singularitätssatz sagt uns auch, dass wir nicht einfach immer dichtere Formen stabiler Materie entdecken können; Ab einer bestimmten Dichte bildet sich eine eingeschlossene lichtähnliche Oberfläche, die dann garantiert eine Singularität bildet.

Warum können einige Schwarze Löcher nicht einfach größere Neutronensterne mit größerer Schwerkraft sein, ohne wesentlichen Unterschied, außer dass sie verhindern, dass Licht entweicht?

Diese Frage läuft darauf hinaus, zu fragen, warum wir ohne eine Singularität keinen Ereignishorizont für Schwarze Löcher haben können. Dies wird durch die No-Hair-Theoreme des Schwarzen Lochs ausgeschlossen, unter der Annahme, dass sich das resultierende System irgendwann beruhigt (technisch gesehen ist die Annahme, dass die Raumzeit stationär ist). Grundsätzlich besagen die No-Hair-Theoreme, dass ein Objekt, wenn es einen bestimmten Ereignishorizont hat und sich beruhigt hat, ein Schwarzes Loch sein muss und sich nur in drei Punkten von anderen Schwarzen Löchern unterscheiden kann: seiner Masse und seinem Winkel Impuls und elektrische Ladung. Diese gut klassifizierten Typen haben alle Singularitäten.

Natürlich werden diese Sätze innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie bewiesen. In einer Theorie der Quantengravitation passiert wahrscheinlich etwas anderes, wenn der Kollaps die Planck-Skala erreicht.

Bei der Beobachtung sehen wir Objekte wie Sagittarius A*, die kein eigenes Licht emittieren, große Massen haben und viel zu kompakt sind, um eine stabile Form von Materie mit dieser Masse zu sein. Dies unterstützt stark die Gültigkeit der obigen Berechnungen und Theoreme. Eine noch stärkere Unterstützung wird kommen, wenn wir Schütze A* direkt mit ausreichender Vergrößerung abbilden können, um seinen Ereignishorizont aufzulösen. Dies kann innerhalb von 10 Jahren oder so geschehen.

Die Endstadien des Sternenkollaps umfassen verschiedene Stadien, aber drei häufig zu berücksichtigende sind Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher.

Weiße Zwerge entstehen, wenn die Gravitationskräfte der Masse der Überreste des Sterns die Abstoßung des Elektronenentartungsdrucks nicht überwinden können. Denken Sie also an die Schwerkraft, die mit der elektromagnetischen Kraft konkurriert, aber letztere gewinnt, sodass kein weiterer Kollaps stattfindet.

Neutronensternewerden gebildet, wenn die Gravitationskräfte die Abstoßung des Elektronenentartungsdrucks überwinden, aber jetzt durch die Kraft zwischen Neutronen gestoppt werden. Dies wird als Quantentartungsdruck bezeichnet und ergibt sich aus dem Pauli-Ausschlussprinzip. Sobald diese Kraft durch ausreichende Schwerkraft überwunden ist, ist es möglich, dass es eine andere Phase gibt, den Quarkstern, in der Quarks einen nach außen gerichteten Druck ausüben. Aber auch dieser Druck hat seine Grenzen. Wir können praktisch ewig Materie hinzufügen, also kann die Gravitation, egal welcher Art von äußerem Druck sie ausgesetzt ist, sie letztendlich immer überwinden. Von allen bekannten Kräftearten gibt es immer einen Fall, in dem die Schwerkraft die stärksten Abstoßungskräfte überwinden kann. Deshalb glauben Physiker, dass es zu einem schwarzen Loch kollabieren muss. Jedoch, dies könnte sich als falsch herausstellen, wenn uns ein Stück Physik fehlt, das uns irgendwie sagt, dass es eine brandneue Kraft gibt, die die gesamte Physik verändert! Dies ist jedoch unwahrscheinlich. Ich hoffe, das hilft.

Schwarze Löcher haben keine Singularitäten. Da sich die gesamte Materie eines Schwarzen Lochs in seiner Kugelhülle befindet, ist die innere Raumzeit flach .