Горизонт событий

У этого термина существуют и другие значения, см. Горизонт событий (значения).
О фильме «Event Horizon» см. Горизонт событий (фильм).
Общая теория относительности
Гравитация
Математическая формулировка
Космология
См. также: Портал:Физика

Горизо́нт собы́тий в астрофизике — это граница, за которой события не могут повлиять на наблюдателя. Этот термин был придуман Вольфгангом Риндлером.[1]

В 1784 году Джон Мичелл предположил, что вблизи компактных массивных объектов гравитация может быть настолько сильной, что даже свет не может ее преодолеть. В то время доминировали ньютоновская теория гравитации и так называемая корпускулярная теория света[en] . Согласно этим теориям, если вторая космическая скорость у объекта превышает скорость света, то свет, уходящий от него, может временно отдалиться, но в итоге вернется обратно. В 1958 году Дэвид Финкельштейн использовал общую теорию относительности, чтобы ввести более строгое определение локального горизонта событий черной дыры как границы, за которой события любого рода не могут повлиять на стороннего наблюдателя. Это привело к информационному парадоксу и парадоксу файрвола, которые побудили пересмотреть концепцию локальных горизонтов событий и понятие черной дыры. Впоследствии было разработано несколько теорий, как с горизонтом событий, так и без него. Стивен Хокинг, который был одним из ведущих разработчиков теорий для описания черных дыр, предложил использовать видимый горизонт[en] вместо горизонта событий, заявив, что «гравитационный коллапс создает видимые горизонты, а не горизонты событий». В конце концов он пришел к выводу, что «отсутствие горизонта событий означает отсутствие черных дыр — в смысле конструкций, из которых свет не может уйти в бесконечность».[2][3] Это не означает отрицания существования черных дыр, это просто выражает недоверие к традиционному строгому определению горизонта событий

Любой объект, приближающийся к горизонту со стороны наблюдателя, кажется замедляющимся и никогда полностью не пересекающим горизонт.[4] Из-за гравитационного красного смещения его изображение со временем краснеет по мере удаления объекта от наблюдателя.[5]

В расширяющейся Вселенной скорость расширения достигает и даже превышает скорость света, что препятствует передаче сигналов в некоторые регионы. Космический горизонт событий — это реальный горизонт событий, потому что он влияет на все виды сигналов, включая гравитационные волны, которые распространяются со скоростью света.

Более конкретные типы горизонтов включают связанные, но различные абсолютные[en]и видимые горизонты[en], обнаруженные вокруг черной дыры. Другие отдельные типы включают горизонты Коши и Киллинга[en]; фотонные сферы и эргосферы решения Керра; горизонты частиц[en] и космологические горизонты, относящиеся к космологии; а также изолированные[en] и динамические горизонты, важные в текущих исследованиях черных дыр.


Космический горизонт событий[ | ]

В космологии горизонт событий наблюдаемой Вселенной — это самое большое сопутствующее расстояние, с которого излучаемый сейчас свет может когда-либо достичь наблюдателя в будущем. Он отличается от концепции горизонта частиц[en], который представляет собой наибольшее сопутствующее расстояние, с которого свет, излучаемый в прошлом, может достичь наблюдателя в данный момент. Для событий, происходящих за пределами этого расстояния, свету не хватает времени, чтобы достичь нашего местоположения, даже если он был излучен в момент возникновения Вселенной. Эволюция горизонта частиц со временем зависит от характера расширения Вселенной. Для некоторых характеристик расширения, будут существовать никогда ненаблюдаемые части Вселенной, независимо от того, как долго наблюдатель ждет прихода света из этих регионов. Граница, за которой события никогда не могут наблюдаться, — это горизонт событий, и он представляет собой максимальную протяженность горизонта частиц.

Критерий для определения существования горизонта частиц для Вселенной следующий. Введём сопутствующее расстояние dp как

В этом уравнении a - масштабный коэффициент, c - скорость света, t0 - возраст Вселенной. Если dp → ∞ (т.е. точки произвольно удалены, насколько это возможно для наблюдения), то горизонт событий не существует. Если dp ≠ ∞, то горизонт существует.

Примерами космологических моделей без горизонта событий являются вселенные, в которых преобладает материя или излучение . Примером космологической модели с горизонтом событий является вселенная, в которой преобладает космологическая постоянная (вселенная де Ситтера).

Расчет скоростей космологических горизонтов событий и частиц был дан в статье о космологической модели FLRW, в которой Вселенная аппроксимируется как состоящая из невзаимодействующих компонентов, каждая из которых представляет собой идеальную жидкость.[6][7]

Горизонт событий чёрной дыры[ | ]

BH-no-escape-1.svg
Вдали от чёрной дыры частицы могут двигаться в любом направлении. Они ограничены только скоростью света.
BH-no-escape-2.svg
Ближе к чёрной дыре пространство-время начинает деформироваться. В некоторых системах координат путей, идущих к чёрной дыре, больше, чем путей, идущих от чёрной дыры.[Note 1]
BH-no-escape-3.svg
Внутри горизонта событий все пути ведут частицы в центр чёрной дыры. Не существует способа для частиц выйти из чёрной дыры.

Один из самых известных примеров горизонта событий содержится в описании чёрной дыры в общей теорией относительности. Чёрная дыра - небесный объект, настолько плотный, что никакое рядом находящееся вещество или излучение не может выйти из его гравитационного поля. Часто это описывается как граница, в пределах которой вторая космическая скорость черной дыры превышает скорость света. Однако более детальное описание состоит в том, что в пределах этого горизонта все светоподобные пути (пути, по которым может пройти свет) и, следовательно, все пути частиц искривлены в световых конусах будущего в пределах горизонта так, что ведут в чёрную дыру. Как только частица оказывается внутри горизонта, движение в чёрную дыру так же неизбежно, как и движение вперед во времени - независимо от того, в каком направлении движется частица. Эти движения можно рассматривать как эквивалент друг друга, в зависимости от используемой системы координат пространства-времени.[9][10][11][12]

Энергия, возможно, может покидать чёрную дыру посредством т. н. излучения Хокинга, представляющего собой квантовый эффект. Если так, истинные горизонты событий в строгом смысле у сколлапсировавших объектов в нашей Вселенной не формируются. Тем не менее, так как астрофизические сколлапсировавшие объекты — это очень классические системы, то точность их описания классической моделью чёрной дыры достаточна для всех мыслимых астрофизических приложений[13].

Поверхность, определяемая радиусом Шварцшильда, действует как горизонт событий невращающегося тела, которое находится внутри этого радиуса (хотя вращающаяся черная дыра работает несколько иначе). Радиус Шварцшильда объекта пропорционален его массе. Теоретически любое количество материи станет чёрной дырой, если эту материю сжать в объем, которой вписывается в соответствующий радиус Шварцшильда. Для массы Солнца этот радиус составляет примерно 3 километра, а для Земли — около 9 миллиметров. На практике, однако, ни Земля, ни Солнце не обладают необходимой массой и, следовательно, необходимой гравитационной силой для преодоления давления вырожденного электронного[en] и нейтронного газа. Минимальная масса, необходимая для того, чтобы звезда могла коллапсировать за пределами этих давлений, соответствует пределу Оппенгеймера–Волкова, который составляет примерно три массы Солнца.

Согласно фундаментальным моделям гравитационного коллапса[14] горизонт событий формируется раньше сингулярности чёрной дыры. Если все звезды в Млечном Пути будут постепенно группироваться в центре Галактики, сохраняя при этом пропорциональные расстояния друг от друга, все они попадут в их общий радиус Шварцшильда задолго до столкновения.[3] Наблюдатели в галактике, окруженной горизонтом событий, будут жить нормально вплоть до коллапса в далеком будущем.

О горизонте событий чёрной дыры есть широко распространённое заблуждение. Частым, хотя и ошибочным, является представление о том, что чёрные дыры «всасывают» материю из окрестностей, тогда как на самом деле они способны искать материю для поглощения не более, чем любое другое гравитирующее тело. Как и любая масса во Вселенной, материя должна входить в область её гравитации для возможности захвата или консолидации с любой другой массой. Не менее распространена идея о том, что материя может наблюдаться в чёрной дыре. Это не так. Астрономы могут обнаруживать только аккреционный диск вокруг чёрной дыры, где материя движется с такой скоростью, что трение создаёт высокоэнергетическое излучение, которое можно обнаружить (также некоторая материя вытесняется из этих аккреционных дисков по осям вращения чёрной дыры, создавая видимые струи во время взаимодействия с таким веществом, как межзвёздный газ, или когда они оказываются нацелены непосредственно на Землю). Более того, удалённый наблюдатель никогда не увидит, что что-то достигнет горизонта. Вместо этого, приближаясь к дыре, скорость объекта будет бесконечно уменьшаться, в то время как любой свет, который он излучает, будет всё более и более красным.

Горизонт событий черной дыры является телеологическим по своей природе, а это означает, что нам нужно знать все будущее пространство-время Вселенной, чтобы определить текущее положение горизонта, что по сути невозможно. Из-за чисто теоретической природы границы горизонта событий, движущийся объект не обязательно испытывает странные эффекты и фактически проходит через расчетную границу за конечное собственное время.[15]

Кажущийся горизонт ускоренной частицы[ | ]

Пространственно-временная диаграмма, показывающая равномерно ускоренную частицу, P и событие E, которое находится за пределами кажущегося горизонта частицы. Верхняя часть светового конуса события E никогда не пересекается с мировой линией частицы.

Если частица движется с постоянной скоростью в нерасширяющейся вселенной, свободной от гравитационных полей, то любое событие, которое происходит в этой Вселенной, в конечном счёте будет наблюдаться частицей, поскольку световой конус будущего от этих событий пересекает мировую линию частицы. С другой стороны, если частица ускоряется, то в некоторых ситуациях световые конусы от части событий никогда не пересекают мировую линию частицы. В этих условиях в системе отсчёта ускоряющейся частицы присутствует кажущийся горизонт (англ.), представляющий собой границу, за которой события ненаблюдаемы.

Пространственно-временная диаграмма этой ситуации показана на рисунке справа. По мере ускорения частицы она приближается, но никогда не достигает скорости света относительно своей исходной системы отсчёта. На диаграмме пространства-времени её путь — это гипербола, которая асимптотически приближается к линии 45 градусов (путь светового луча). Событие, границей светового конуса которого является эта асимптота, или любое событие за этой границей, никогда не может наблюдаться ускоряющейся частицей. В системе отсчёта частицы есть граница, из за которой не могут выйти никакие сигналы (кажущийся горизонт).

Хотя приближения такого типа могут возникать в реальном мире (например, в ускорителе частиц), реальный горизонт событий такого типа не существует, так как это требует частицу, которая должна ускоряться неограниченно долго (требуя бесконечного количества энергии).

Другие примеры горизонтов событий[ | ]

Взаимодействие с горизонтом событий[ | ]

Объекты, направленные к горизонту событий, никогда не пересекают его с точки зрения отправляющего наблюдателя (поскольку световой конус события пересечения горизонта никогда не пересекается с мировой линией наблюдателя). Попытка удержать объект вблизи горизонта в неподвижном относительно наблюдателя состоянии, требует применения огромных сил. Чем ближе к горизонту, тем больше требуется величина такой силы, которая в пределе неограниченно растёт (становится бесконечной).

Для случая горизонта, воспринимаемого равномерно ускоряющимся наблюдателем в пустом пространстве, горизонт, остаётся на фиксированном расстоянии от наблюдателя независимо от того, как движется окружение. Изменение ускорения наблюдателя может привести к тому, что горизонт будет смещаться со временем, или может помешать существованию горизонта событий, в зависимости от выбранной функции ускорения. Наблюдатель никогда не прикасается к горизонту и никогда не пересекает его.

Для случая горизонта, воспринимаемого обитателем вселенной де Ситтера, горизонт находится на фиксированном расстоянии от инерциального наблюдателя. С ним никогда не контактирует даже ускоряющий наблюдатель.

Для случая горизонта вокруг чёрной дыры, наблюдатели, неподвижные относительно отдалённого объекта, будут согласны по поводу местоположения горизонта. Хотя это, по-видимому, позволяет наблюдателю опуститься к чёрной дыре на верёвке (или стержне) прямо до горизонта, на практике это невозможно. Собственное расстояние до горизонта конечно[16], поэтому длина требуемой верёвки также была бы конечной, но если верёвку опускать медленно (так чтобы каждая точка верёвки была примерно в покое в координатах Шварцшильда), собственное ускорение (перегрузка), испытываемое точками на верёвке, которые находятся близко к горизонту, приближается к бесконечности, поэтому верёвка разорвётся. Если верёвку опускать быстро (возможно, даже в свободном падении), то действительно наблюдатель на конце каната может коснуться и даже пересечь горизонт событий. Но как только это произойдёт, невозможно вытащить конец верёвки из-за горизонта событий, поскольку, если верёвку натянуть, силы вдоль верёвки увеличиваются неограниченно по мере приближения к горизонту событий, и в какой-то момент верёвка должна порваться. Кроме того, разрыв должен происходить не на горизонте событий, а в точке, где второй наблюдатель может этот разрыв наблюдать.

Наблюдатели, пересекающие горизонт событий чёрной дыры, могут рассчитать момент, когда они пересекли его, но не видят и не ощущают в этот момент ничего особенного. С точки зрения внешнего вида, наблюдатели, падающие в чёрную дыру, воспринимают чёрную область, составляющую горизонт, лежащую на некотором видимом расстоянии ниже них, и никогда не испытывают пересечения этого визуального горизонта.[17] Другие объекты, которые вошли в горизонт вдоль того же радиального пути, но в более раннее время, появились бы ниже наблюдателя, но всё же над визуальным положением горизонта, и если бы они упали совсем недавно, наблюдатель мог бы обмениваться сообщениями с ними до того, как один из них будет разрушен гравитационной сингулярностью.[18] Увеличение приливной силы (и возможное влияние сингулярности чёрной дыры) являются единственно локально заметными эффектами. Приливные силы являются функцией массы чёрной дыры. В реалистичной чёрной дыре звёздной массы рано происходит спагеттификация: приливные силы разрывают материю ещё до достижения горизонта событий. Однако в сверхмассивной чёрной дыре, какие находятся в центрах галактик, происходит спагеттификация внутри горизонта событий. Космонавт пережил бы падение через горизонт событий только в чёрной дыре с массой около 10 000 солнечных масс или больше.[19]

См. также[ | ]

Примечания[ | ]

Комментарии
  1. Множество возможных путей или, если точнее, светового конуса будущего, содержащего все возможные мировые линии (на этой диаграмме, представленной жёлтой и синей сетками), имеют данный наклон в координатах Эддингтона-Финкельштейна (англ.) (диаграмма представляет собой «мультяшную» версию диаграммы Эддингтона-Финкельштейна). В других координатах световые конусы наклонены другим образом, например, в координатах Шварцшильда они просто сужаются без наклона по мере приближения к горизонту событий, а в координатах Крускала светлые конусы вообще не меняют форму или ориентацию.[8]
Источники
  1. Rindler, W. (1956-12-01). “Visual Horizons in World Models”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 116 (6): 662—677. DOI:10.1093/mnras/116.6.662. ISSN 0035-8711.
  2. Hawking, S.W. (2014), Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes, arΧiv:1401.5761v1 [hep-th] 
  3. 1 2 Curiel, Erik (2019). “The many definitions of a black hole”. Nature Astronomy. 3: 27—34. arXiv:1808.01507v2. Bibcode:2019NatAs...3...27C. DOI:10.1038/s41550-018-0602-1.
  4. Chaisson, Eric. Relatively Speaking: Relativity, Black Holes, and the Fate of the Universe. — W. W. Norton & Company, 1990. — P. 213. — ISBN 978-0393306750.
  5. Bennett, Jeffrey. The Cosmic Perspective. — Pearson Education, 2014. — P. 156. — ISBN 978-0-134-05906-8.
  6. Margalef Bentabol, Berta (21 December 2012). “Evolution of the cosmological horizons in a concordance universe”. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics[en]. 2012 (12): 035. arXiv:1302.1609. Bibcode:2012JCAP...12..035M. DOI:10.1088/1475-7516/2012/12/035.
  7. Margalef Bentabol, Berta (8 February 2013). “Evolution of the cosmological horizons in a universe with countably infinitely many state equations”. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2013 (2): 015. arXiv:1302.2186. Bibcode:2013JCAP...02..015M. DOI:10.1088/1475-7516/2013/02/015.
  8. Misner, Thorne & Wheeler (1973), p. 848.
  9. Hawking, S.W. The Large Scale Structure of Space-Time / S.W. Hawking, G.F.R. Ellis. — Cambridge University Press, 1975.Ошибка?: некорректно задана дата установки
  10. Misner, Charles. Gravitation / Charles Misner, Kip S. Thorne, John Wheeler. — W. H. Freeman and Company, 1973. — ISBN 978-0-7167-0344-0.Ошибка?: некорректно задана дата установки
  11. Wald, Robert M. General Relativity. — Chicago : University of Chicago Press, 1984. — ISBN 978-0-2268-7033-5.Ошибка?: некорректно задана дата установки
  12. Peacock, J.A. Cosmological Physics. — Cambridge University Press, 1999. — ISBN 978-0-511-80453-3. — doi:10.1017/CBO9780511804533.Ошибка?: некорректно задана дата установки
  13. Сергей Попов. Экстравагантные консерваторы и консервативные эксцентрики // Троицкий Вариант : газета. — 27 октября 2009. — Вып. 21 (40N). — С. 6—7.
  14. Penrose, Roger (1965). “Gravitational collapse and space-time singularities”. Physical Review Letters. 14 (3). Bibcode:1965PhRvL..14...57P. DOI:10.1103/PhysRevLett.14.57.
  15. Joshi, Pankaj (2016). “Black Hole Paradoxes”. Journal of Physics: Conference Series. 759 (1): 12—60. arXiv:1402.3055v2. Bibcode:2016JPhCS.759a2060J. DOI:10.1088/1742-6596/759/1/012060.
  16. Misner, Thorne & Wheeler (1973), p. 824.
  17. Journey into a Schwarzschild black hole. jila.colorado.edu.
  18. Dive into the Black Hole. casa.colorado.edu.
  19. Hobson, Michael Paul; Efstathiou, George; Lasenby, Anthony N. 11. Schwarzschild black holes // General Relativity: An introduction for physicists (англ.). — Cambridge University Press, 2006. — P. 265. — ISBN 0-521-82951-8.

Ссылки[ | ]