Почему черную дыру называют массивной? [дубликат]

Как вы говорите, у фотонов нет массы покоя , поэтому их энергия покоя равна нулю. Однако у фотонов есть импульс$p$, значит, у них есть энергия$E = hc/\lambda = p/c$(используя соотношение де Бройля), где$c$это скорость света. В специальной теории относительности нет гравитации, и безмассовые частицы, то есть фотон, путешествуют по нулевой геодезической , которая определяет световой конус для каждого события в пространстве-времени. Общая теория относительности (ОТО) включает специальную теорию относительности через эквивалентность инерции и гравитации, поскольку уравнение свободного падения является уравнением геодезического . Свет по-прежнему движется по нулевым геодезическим, но эти траектории « искривляются » в присутствии гравитации. Например, измерение отклонения света от Солнца вокруг Луны во время солнечного затмения было одним из первых экспериментальных подтверждений предсказаний ОТО.

Черная дыра (ЧД) — это предсказание ОТО, то есть ЧД — это решение уравнений поля Эйнштейна. Невращающиеся и электрически нейтральные ЧД моделируются (уникально) решением Шварцшильда , которое предполагает, что пространство-время пусто и имеет сферическую симметрию — эта симметрия обеспечивает физическую сингулярность в точке$r = 0$где$r$— радиальная координата Шварцшильда, параметризованная величиной$m$находится в$r = 0$называется массой ЧД.

Сказать, что «черная дыра — это место, откуда не может выйти свет», я думаю, слишком упрощенно. Возможно, лучшее описание странности ЧД: рассмотрим двух наблюдателей, А находится в бесконечности (очень далеко), наблюдая, как В падает радиально к ЧД. С точки зрения B, B просто попадает в ЧД после прохождения горизонта событий (поверхности, на которой скорость убегания равна скорости света в вакууме).$c$). Наблюдатель А никогда не увидит, как Б пересекает горизонт событий, потому что по мере того, как В движется от горизонта к физической сингулярности в$r = 0$требуется бесконечное количество времени, чтобы информация вырвалась из-под горизонта. Таким образом, наблюдатель A видит, что наблюдателю B требуется бесконечное количество времени, чтобы пересечь горизонт событий ЧД, даже если B уже прошел горизонт событий. Это пример потери одновременности , с которой вы сталкиваетесь во введении в специальную теорию относительности перед изучением ЧД. Это не иллюзия — это реальная, физическая разница в способности измерять события благодаря наличию гравитации и относительного движения.

Следовательно, если наблюдатель B падает, светя фонариком обратно на наблюдателя A, то после того, как B пройдет горизонт событий, свет будет смещен бесконечно в красную сторону относительно A. Это то, что Хокинг имеет в виду, говоря, что «даже свет не может покинуть» горизонт событий ЧД. - свет от B бесконечно растянут по длине волны на горизонте событий (поверхности, на которой скорость убегания ЧД равна скорости света) относительно A. По-другому это можно сказать :

С точки зрения наблюдателя, находящегося вне дыры (и, как мы надеемся, защищенного от повреждений), общая теория относительности учит, что часы, брошенные в дыру, будут казаться все медленнее и медленнее по мере приближения к горизонту событий. Время между каждым «тиком» (измеряемое местными часами по отношению к наблюдателю) будет неограниченно увеличиваться, приближаясь к бесконечности по мере того, как часы приближаются к горизонту событий. «Последний тик» перед тем, как часы упадут в дыру, никогда не будет наблюдаться за конечное время. Часы всегда будут появляться внутри известной вселенной и снаружи дыры.

Понятие «разрыв дыры в пространстве-времени» отличается от черной дыры, например, см. здесь ответ Дж. Ренни . Черную дыру можно представить как область пространства с бесконечной плотностью: т. е. при конечной массе объем стремится к нулю. Но даже это простое представление сталкивается с проблемами, когда вы начинаете исследовать решения BH для EFE.

Массы ЧД были экспериментально ограничены наблюдениями аккреционных потоков в рентгеновских двойных системах с ЧД звездной массы и обнаружением гравитационных волн от слияний звездных двойных ЧД ($5 \lesssim m \lesssim 100 M_{\odot}$), а также за счет аккреционных ядер активных галактик и динамически за счет воздействия на близлежащие звезды и газ сверхмассивных черных дыр ($10^5 \lesssim m \lesssim 10^9 M_{\odot}$). Это хорошая графика. Первое надежное обнаружение ЧД промежуточной массы, названной GW190521 , было недавно достигнуто с помощью обнаружения гравитационных волн LIGO/Virgo. Черные дыры звездной массы формируются как конечные продукты звездной эволюции, в то время как происхождение сверхмассивных черных дыр менее определено, но считается, что они происходят из «семян». Ожидается, что эти астрофизические ЧД по разным причинам будут иметь вращение и моделируются как ЧД Керра .