Astronomia

È possibile che alcune stelle siano già buchi neri ma vediamo la luce emessa da prima di diventare un buco nero?

È possibile che alcune stelle siano già buchi neri ma vediamo la luce emessa da prima di diventare un buco nero?

Per le stelle vediamo che stanno bruciando carburante ad un ritmo veloce, che sono molto luminose, (o qualsiasi stella del resto sufficientemente lontana da noi) potrebbe essere che sono già buchi neri (quelli sufficientemente grandi) e siamo solo vedendo la luce emessa durante la sua fase principale? Quindi, se è così, è sicuro dire che la maggior parte delle stelle che vediamo sono già morte?

Modifica: apprezzo tutte le risposte. Questa è stata una lettura affascinante. Odio anche dover selezionare una "risposta" quando ho raccolto qualcosa da tutti loro.


Dipende da cosa intendi per "vedere". Immagino tu intenda ad occhio nudo. Facciamo alcuni calcoli approssimativi per stimare le probabilità.

La singola stella più lontana visibile ad occhio nudo è Deneb, distanza stimata intorno ai 1550 anni luce. La maggior parte delle stelle visibili ad occhio nudo sono molto più vicine. Dal momento che anche il tipo di stella che forma un buco nero vive qualche milione di anni, ci aspetteremmo forse fino a una stella sufficientemente grande su mille per aver formato un buco nero durante il tempo in cui la loro luce era sulla strada per noi.

Ci sono circa 5000 stelle visibili ad occhio nudo in buone condizioni, ma solo un centinaio o più abbastanza massicce da formare buchi neri. Quindi su questa base, le probabilità sono che ci sia al massimo una di queste stelle, e probabilmente nessuna.

Per stimare questo in un altro modo, si consideri che c'è in media una supernova in una galassia per secolo. Confrontando la distanza della stella visibile più lontana con il diametro della galassia, stimo che possiamo vedere al massimo 1/2500 della Via Lattea, quindi dovremmo aspettarci che solo una stella visibile diventi supernova ogni 250.000 anni. Dividendolo per la distanza in anni luce dalle stelle visibili più lontane, abbiamo solo una possibilità su cento che una qualsiasi delle stelle visibili sia diventata una supernova durante il periodo in cui la loro luce era in viaggio verso di noi.

Un avvertimento è che ho ottenuto queste cifre da fonti disparate, sulla base di ricerche su Google. Tuttavia, sembra chiaro che le probabilità non siano buone. Speriamo che uno degli esperti possa fornire dati migliori.


No, penso che la maggior parte delle stelle abbastanza grandi da formare buchi neri, richiedano alcuni milioni di anni per farlo dalla nascita alla morte. Dal momento che possiamo vedere solo le stelle nella Via Lattea fino a poche decine di migliaia di anni luce di distanza, solo l'1% di esse dovrebbe essere collassato in un buco nero poiché hanno emesso la luce che vediamo ora qui.

Ma molte dello stesso tipo di stelle giganti osservate nella galassia di Andromeda, che dista più di 2 milioni di anni luce, potrebbero essersi trasformate in buchi neri "oggi". Perché il loro tempo di viaggio leggero è paragonabile alla loro vita. Se si potessero osservare stelle giganti così giovani a più di 0,1 miliardi di anni luce di distanza, si potrebbe affermare con sicurezza che TUTTE si sono trasformate in buchi neri ora che la luce della loro passata vita stellare ci raggiunge.


È sicuro dire che un numero decente delle stelle che vediamo oggi è morto. Lo spazio è infinito, quindi è un presupposto sicuro che ci siano stelle distanti più di un miliardo di anni luce che non hanno vissuto un miliardo di anni. Quindi saranno morti prima che la loro luce raggiunga la Terra. Inoltre, maggiore è la massa della stella, più velocemente brucia il suo carburante, quindi è meno probabile che le stelle che diventeranno buchi neri siano ancora vive. Non ho esempi specifici di stelle che potrebbero diventare buchi neri nel "futuro", ma è estremamente probabile. Ho messo il futuro tra virgolette perché è successo 500 milioni di anni fa, ma la stella è lontana 501 milioni di anni luce quindi il fatto che stia collassando in un buco nero non ci raggiungerà per un altro milione di anni. È difficile da spiegare concettualmente.

Ad esempio: la stella A è lontana 400 milioni di anni luce. Ciò significa che ci vogliono 400 milioni di anni perché la luce arrivi qui. Stiamo vedendo la stella com'era 400 milioni di anni fa. Se la stella A si "formasse" ufficialmente (iniziasse la fusione nel suo nucleo) 350 milioni di anni fa e collassasse in un buco nero 10 milioni di anni fa, non vedremmo ancora la luce della stella in primo luogo, ma sarebbe già un buco nero buco. In 50 milioni di anni vedremmo la stella iniziare a formarsi e in 390 milioni di anni la vedremmo collassare in un buco nero.


Non tutte le stelle che muoiono diventano buchi neri. Solo quelli davvero, davvero massicci, i "giganti" li chiamano. Sono rari. Nessuna delle stelle visibili ad occhio nudo dalla Terra è abbastanza massiccia da essere buchi neri. Gli scienziati possono dire la massa di una stella usando il diagramma di Hertzsprung-Russell.

Tuttavia, è uno scenario possibile, ma non sulla Terra.

È possibile perché la luce emessa da una stella vivente viaggerà per sempre finché non sarà assorbita dalla materia sul suo percorso. Quindi, una stella può essere morta per eoni prima che la luce venga finalmente assorbita da qualcosa - come un pianeta alieno e occhi alieni - molto lontano e molto tempo dopo che la stella portatrice di luce ha raggiunto lo stato di buco nero. È solo specifico della situazione della Terra che le stelle visibili non sono buchi neri perché le loro masse non sono abbastanza grandi.


https://xkcd.com/1342/ e http://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/1342:_Ancient_Stars

https://xkcd.com/1440/ e http://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/1440:_Geese

potrebbe essere che sono già buchi neri (quelli sufficientemente grandi) e stiamo solo vedendo la luce emessa durante la sua fase principale?

Per alcune stelle, sì, potrebbe essere. Ci sono alcune stelle che possiamo osservare individualmente e che crediamo possano diventare supernova più o meno in qualsiasi momento. Betelgeuse è probabilmente l'esempio più famoso. È a 640 anni luce di distanza, potrebbe diventare una supernova di tipo II in qualsiasi momento (previsto entro il prossimo milione di anni, ma potrebbe concepibilmente accadere entro i prossimi 640 anni mentre lo osserviamo, in modo tale che sia già accaduto). Potrebbe diventare un buco nero quando lo fa (sebbene ci sia anche una semplice stella di neutroni, credo, e probabilmente è più probabile).

Inoltre, quando osserviamo una galassia lontana è certo (per quanto riguarda le nostre teorie) che alcune delle stelle che contribuiscono alla luce di quella galassia sono diventate buchi neri. Tuttavia, dal momento che non stiamo risolvendo le singole stelle in quelle galassie anche con i nostri migliori telescopi, potresti avere una discussione se stiamo "vedendo" le stelle o meno.

è sicuro dire che la maggior parte delle stelle che vediamo sono già morte?

Stelle nella nostra galassia, la Via Lattea, no. Ha un diametro di circa 100.000 anni luce, contiene 100 miliardi - 1 trilione di stelle, delle quali possiamo "vedere" individualmente solo una piccola parte. La maggior parte di questi sono molto vicini, i più lontani circa 1500 anni luce e la maggior parte di quelli non sono affatto candidati a supernova, figuriamoci candidati a buchi neri. Anche tenendo conto dei nostri migliori telescopi, risolviamo ancora solo una piccola percentuale di stelle individualmente.

La galassia probabilmente sperimenta circa una supernova ogni 50-100 anni. Quindi, anche se tutte quelle fossero stelle visibili (cosa che non lo sono: anche delle stelle più grandi della galassia solo una piccola parte può essere vista ad occhio nudo), e tutte le supernove risultassero in buchi neri (che non t), allora al massimo 15-30 stelle visibili ad occhio nudo potrebbero già essere buchi neri, e solo fino a 1000-2000 stelle totali nell'intera galassia indipendentemente dalla visibilità sono nella durata tra l'arrivo della supernova e la terra che entra nel futuro cono di luce di quella supernova. Questo estremamente Il limite superiore allentato non è affatto "la maggior parte delle stelle che vediamo", e in effetti è probabile che nessuna delle stelle che vedi quando guardi il cielo notturno sia già buchi neri. Potrebbe benissimo essere che nessuno di loro lo sarà mai.

È anche improbabile che qualsiasi stella che osservi ad occhio nudo sia morta, poiché la loro vita è dell'ordine di 10 milioni di anni (per la più grande) a miliardi di anni e le loro distanze dalla terra sono 1500 anni luce o meno. Ma ci sono alcune stelle, come Betelgeuse, che sappiamo essere vicine alla fine della loro vita e che quindi potrebbero essere "già morte" in questo senso.

Usando i telescopi possiamo vedere alcune singole stelle nelle galassie vicine, o almeno osservarle indirettamente poiché stanno illuminando le nebulose che vediamo, fino a poche decine di milioni di anni luce di distanza (queste tendono ad essere supergiganti blu, penso ). Di questi, quelli in procinto di trasformarsi in un buco nero potrebbero avere vite inferiori o uguali alla loro distanza da noi. Non è necessariamente vero che tutti o anche la maggior parte di essi diventino buchi neri, non sono sicuro di cosa sia tipico dei tipi di stelle in questione, ma per quelle stelle tu può diciamo che molti o la maggior parte sono già buchi neri. Le stelle più lontane risolte individualmente sono tutte morte in un modo o nell'altro.

Se ci consenti di "vedere" ogni stella in una galassia molto lontana, anche se non possiamo risolverne nessuna individualmente prima che si trasformino in supernova, i numeri cambiano di nuovo, ma il mio istinto è che non è il caso che "la maggior parte" dell'universo osservabile è già collassato in buchi neri. Ma le stelle potrebbero essere morte anche se non sono buchi neri. Possiamo vedere galassie a più di 10 miliardi di anni luce di distanza, che è circa l'intera vita di una stella come il Sole. Per ottenere "la maggior parte", però, devi prima concordare cosa conta come una stella e in secondo luogo esaminare quali tipi di stelle contengono quelle galassie. Se finisci per concludere che la maggior parte delle stelle sono (rispetto al Sole) minuscole piccole cose rosso-marroni con vite in decine di miliardi di anni, allora la maggior parte delle stelle non sono già morte, non importa quanto siano lontane la galassia in :-) D'altra parte, gli oggetti più luminosi che contribuiscono maggiormente a ciò che osserviamo via telescopio nelle galassie più lontane, certo, muoiono sicuramente in molto meno di qualche miliardo di anni.

Nota che nella relatività speciale il concetto di "simultaneo" è un po' difficile da definire. Ma ho seguito la convenzione che se qualcosa è distante X anni luce, allora qualsiasi cosa osserviamo da qui a X anni da oggi, è "già accaduto". Non abbiamo necessariamente il diritto da dove ci troviamo a dire che è "già accaduto", dal momento che non è nel nostro cono di luce passato, ma abbastanza buono :-)


È possibile. Supponiamo che l'umanità si sia formata 195.000 anni fa (il più antico fossile umanoide trovato) e una stella molto massiccia a più di 195.000 anni luce di distanza sia diventata una supernova o sia addirittura implosa in un buco nero in 1950000 anni, c'è la possibilità che qualche umanoide possa averlo visto. Storicamente le persone hanno documentato di aver visto supernove in passato e se qualcuna di queste fosse stata abbastanza massiccia, allora potrebbe essere stata osservata una formazione di un buco nero. Tuttavia non ci sono buchi neri nelle aree descritte dalle descrizioni fatte dai testimoni ma vederne uno è possibile, speriamo solo che non sia molto vicino al nostro sistema. Il GRB risultante potrebbe rovinarti la giornata.


Rubrica di giugno 2021 – Black Hole Summer

Se esiste un altro tipo di oggetto celeste in grado di generare tanta curiosità e meraviglia quanto un buco nero, allora non so cosa potrebbe essere. Ogni volta che faccio qualsiasi tipo di divulgazione astronomica, con qualsiasi fascia di età, ci sono sicuramente una o due domande sui buchi neri (sebbene anche le domande sull'esistenza degli alieni si dimostrino piuttosto popolari). E posso capire l'entusiasmo che la gente ha per queste incredibili creazioni della natura. Alla semplice menzione dei buchi neri, divento tutto stordito e probabilmente ti parlerò di loro. In effetti, un mio amico mi ha suggerito scherzosamente di dotarmi di un cartello al collo che dice qualcosa del seguente effetto:

Almeno penso che stia scherzando. Ripensandoci, non è davvero un buon amico per cominciare, quindi a chi importa cosa pensa, giusto? Ad ogni modo, nel blog di questo mese, voglio parlarti dei buchi neri, cosa sono, come sappiamo cosa sappiamo di loro e dove cercare nel cielo estivo le aree generali in cui si trovano due noti buchi neri . Ovviamente, per loro stessa natura, i buchi neri non possono essere visti direttamente, ma è piuttosto bello essere in grado di indicare un'area nel cielo e dire a te stesso: "Sì, è QUESTO dove si nasconde un buco nero proprio in questo momento". Il fattore cool che deriva dal post sul blog di Night Sky di questo mese non deriva dal "vedere" effettivo, ma dal "sapere".


Orizzonte degli eventi

Anche se (r = 2m) non è una vera singolarità, lì accadono cose interessanti. Per (r < 2m), il segno di (g_) diventa negativo, mentre (g_) è positivo. Nella nostra firma + &minus &minus&minus, questo ha la seguente interpretazione. Per la linea di universo di una particella materiale, si suppone che (ds^2) sia il quadrato del tempo proprio della particella, e deve essere sempre positivo. Se una particella avesse un valore costante di (r), per (r < 2m), avrebbe (ds^2 < 0), il che è impossibile.

I caratteri di tipo tempo e spazio delle coordinate (r) e (t) sono stati scambiati, quindi (r) agisce come una coordinata temporale.

Quindi per un oggetto abbastanza compatto che (r = 2m) è esterno, (r = 2m) è un orizzonte degli eventi: i futuri coni di luce si ribaltano così tanto da non consentire alle relazioni causali di connettersi con lo spaziotempo esterno. Nella relatività, gli orizzonti degli eventi non si verificano solo nel contesto dei buchi neri, le loro proprietà e alcune delle implicazioni per i buchi neri sono già state discusse nella sezione 6.1.

La dilatazione temporale gravitazionale nel campo di Schwarzschild, relativa ad un orologio all'infinito, è data dalla radice quadrata del (g_) componente della metrica. Questo va a zero all'orizzonte degli eventi, il che significa che, per esempio, un fotone emesso dall'orizzonte degli eventi sarà infinitamente spostato verso il rosso quando raggiunge un osservatore all'infinito. Questo ha senso, perché il fotone non è rilevabile, proprio come lo sarebbe se fosse stato emesso da dentro l'orizzonte degli eventi.


Perché l'universo è vuoto

La vita aliena è probabile, ma non ce ne sono che possiamo vedere. Pertanto, potrebbe essere il caso che da qualche parte lungo la traiettoria dello sviluppo della vita, ci sia una sfida massiccia e comune che ponga fine alla vita aliena prima che diventi abbastanza intelligente e abbastanza diffusa da poter essere vista: un grande filtro.

Questo filtro potrebbe assumere molte forme. Potrebbe essere che avere un pianeta nella zona di Riccioli d'oro, la stretta fascia attorno a una stella dove non fa né troppo caldo né troppo freddo perché la vita possa esistere, e che quel pianeta contenga molecole organiche in grado di accumularsi nella vita sia estremamente improbabile. Abbiamo osservato un sacco di pianeti nella zona di Riccioli d'Oro di stelle diverse (si stima che siano 40 miliardi nella Via Lattea), ma forse le condizioni non sono ancora giuste perché la vita possa esistere.

Il Grande Filtro potrebbe verificarsi nelle primissime fasi della vita. Quando eri al liceo bio, potresti avere il ritornello perforato nella tua testa "i mitocondri sono la centrale elettrica della cellula". Certamente sì. Tuttavia, a un certo punto, i mitocondri erano batteri separati che vivevano la propria esistenza. Sulla Terra, un organismo unicellulare ha cercato di mangiare uno di questi batteri, ma invece di essere digerito, il batterio si è unito alla cellula, producendo energia extra che ha permesso alla cellula di svilupparsi in modi che portano a forme di vita superiori. questo potrebbe essere così improbabile che è successo solo una volta nella Via Lattea.

Oppure, il filtro potrebbe essere lo sviluppo di cervelli grandi, come abbiamo fatto noi. Dopotutto, viviamo su un pianeta pieno di molte creature e il tipo di intelligenza che gli umani hanno avuto solo una volta. Può essere estremamente probabile che le creature viventi su altri pianeti semplicemente non abbiano bisogno di evolvere le strutture neurali che richiedono energia necessarie per l'intelligenza.


Centrotavola della galassia

Il concetto di buchi neri massicci al centro di alcune galassie è supportato da indagini teoriche sulla formazione di stelle molto massicce. Stelle di

PAROLE CHIAVE

Sistema binario — Qualsiasi sistema di due oggetti simili a stelle che orbitano l'uno intorno all'altro sotto l'influenza della loro gravità combinata.

Galassia — Una vasta collezione di stelle e ammassi di stelle, contenente da pochi milioni a qualche trilione di stelle.

Relatività generale — Una teoria della gravità proposta da Albert Einstein nel 1915 che sostanzialmente descrive la gravità come una distorsione dello spazio-tempo dovuta alla presenza di materia.

Materiale interstellare — Qualsiasi materiale che risiede tra le stelle. Costituisce il materiale da cui si formano le nuove stelle.

Radiatore perfetto — Conosciuto anche come corpo nero (da non confondere con un buco nero). Qualsiasi oggetto che assorbe tutta l'energia radiante che cade su di esso e successivamente ri-irradia quell'energia. L'energia irradiata può essere caratterizzata da un'unica variabile dipendente, la temperatura.

Gravità quantistica — Una teoria risultante dall'applicazione di principi quantistici all'interazione tra due oggetti normalmente attribuiti alla gravità.

Meccanica quantistica — La teoria che è stata sviluppata dal principio quantistico di Max Planck per descrivere la fisica del piccolissimo. Il principio quantistico, fondamentalmente, afferma che l'energia arriva solo in determinate quantità indivisibili designate come quanti. Qualsiasi interazione fisica in cui viene scambiata energia può scambiare solo numeri interi di quanti.

più di circa cento volte (e meno di circa un milione di volte) la massa del sole non può formarsi perché esploderà dall'energia nucleare rilasciata durante la loro contrazione prima che la stella possa rimpicciolirsi abbastanza da consentire alla sua gravità di tenerla insieme. Tuttavia, se una nube in collasso di materiale interstellare contiene più di circa un milione di volte la massa del sole, il collasso avverrà così velocemente che i processi nucleari avviati dal collasso non saranno in grado di fermare il collasso. Il collasso continuerà senza freni finché l'oggetto non formerà un buco nero.

Tali oggetti sembrano essere necessari per comprendere il comportamento osservato del materiale al centro di alcune galassie. Infatti, è ormai certo che i buchi neri risiedono al centro di molte galassie normali, inclusa la Via Lattea. Le prove provengono dal movimento delle nubi di gas vicino al centro galattico e dal rilevamento di lampi di raggi X dal centro galattico, come sarebbero tipicamente prodotti da un buco nero supermassiccio che ingoia materia.


Buchi neri

La risposta riguarda la gravità e la pressione interna all'interno della stella. Queste due cose si oppongono l'una all'altra: la forza gravitazionale della stella che agisce su un pezzo di materia sulla superficie della stella vorrà far cadere quella materia verso l'interno, ma la pressione interna della stella, che agisce verso l'esterno sulla superficie, vorrà per far volare la materia verso l'esterno. Quando questi due sono bilanciati (cioè uguali in forza) la stella manterrà la sua dimensione: né collassa né si espande. Questo è il caso del Sole in questo momento, e anche, del resto, della Terra.

Tuttavia, quando una stella esaurisce il combustibile nucleare, e quindi continua a perdere energia dalla superficie (sta emettendo energia luminosa), mentre non sostituisce l'energia persa attraverso la fusione nucleare (non più combustibile nucleare), la gravità prevarrà sull'energia interna. pressione e la stella si contrarrà lentamente o collasserà rapidamente a seconda dei dettagli della struttura interna e della composizione. La gravità vince sulla pressione interna della stella, perché quella pressione è stata prodotta da un normale gas caldo e quel gas sta perdendo energia mentre la stella irradia energia dalla superficie.

La stella potrebbe così diventare un buco nero. Dipende solo dal fatto che il collasso venga interrotto o meno a una dimensione più piccola una volta che un'altra fonte di pressione (diversa da quella prodotta da un normale gas caldo) può diventare sufficientemente forte da bilanciare la forza gravitazionale verso l'interno. Esistono altre forme di pressione oltre a quella prodotta da un gas caldo. Premendo la tua mano sul piano di una scrivania potrai sperimentare una di queste altre pressioni --- la scrivania si spinge contro di te, anzi può sostenere il tuo peso (forza gravitazionale)! La pressione che mantiene la scrivania rigida contro il tuo peso è causata dalle forze tra gli atomi nella scrivania.

Inoltre, gli elettroni all'interno degli atomi devono evitarsi l'un l'altro (per esempio, non possono trovarsi tutti nella stessa "orbita" atomica --- questo è chiamato "principio di esclusione". Pertanto, se avessimo una collezione di elettroni in movimento libero, anche loro si evitrebbero a vicenda: più si comprime la raccolta (più piccolo è il volume in cui sono confinati) più si ribellano alla compressione --- una pressione si oppone al tuo confinamento di gli elettroni.

Questa pressione di "evitamento degli elettroni" può diventare abbastanza forte da opporsi alle forze gravitazionali all'interno di una stella di circa la massa del Sole quando la stella viene compressa dalla gravità a circa il diametro della Terra. Così si può evitare che una stella massiccia come il Sole diventi un buco nero quando collassa alle dimensioni della Terra, e la pressione interna di "evitamento degli elettroni" (chiamata "pressione degli elettroni degenerati") diventa abbastanza forte da sostenere la stella. Questo tipo di pressione non dipende dal contenuto energetico della stella ---- anche se la stella continua a perdere energia dalla sua superficie, la pressione continuerà a sorreggere la stella. Il nostro Sole non potrà mai diventare un buco nero.

Tuttavia, se la stella è più massiccia di qualcosa come 3 o 5 masse solari, le sue forze gravitazionali saranno maggiori e la sua pressione interna di elettroni degenerati non sarà mai sufficiente per fermare il suo collasso. Si scopre che i neutroni possono anche obbedire al principio di esclusione e i neutroni saranno prodotti in abbondanza quando una stella massiccia collassa, ma anche la degenerazione dei neutroni non può fermare il collasso di stelle massicce --- qualsiasi cosa che superi da 3 a 5 masse solari non può essere fermata, diventerà un buco nero secondo il pensiero corrente.

Come cambia il tempo in un buco nero?

Beh, in un certo senso non è cambiato affatto. Se dovessi entrare in un buco nero, ti troveresti a guardare che ticchetta alla stessa velocità di sempre (supponendo che tu e l'orologio siate sopravvissuti al passaggio nel buco nero). Tuttavia, cadresti rapidamente verso il centro dove verresti ucciso da enormi forze di marea (ad esempio, la forza di gravità ai tuoi piedi, se cadessi prima con i piedi, sarebbe molto più grande della tua testa e saresti disteso ).

Sebbene il tuo orologio visto da te non cambierebbe la sua frequenza di ticchettio, proprio come nella relatività speciale (se ne sai qualcosa), qualcun altro vedrebbe una frequenza di ticchettio diversa dal solito sul tuo orologio e tu vedresti il ​​loro orologio ticchettare a un ritmo diverso dal normale. Ad esempio, se dovessi posizionarti appena fuori da un buco nero, mentre troveresti il ​​tuo orologio che ticchetta alla velocità normale, vedresti l'orologio di un amico a grande distanza dal buco che ticchetta a un ritmo molto più veloce dei tuoi. Quell'amico vedrebbe il suo orologio ticchettare a un ritmo normale, ma vedrebbe il tuo orologio ticchettare a un ritmo molto più lento. Quindi, se rimanessi appena fuori dal buco nero per un po', poi tornassi per raggiungere il tuo amico, scoprirai che l'amico era invecchiato più di te durante la tua separazione.

L'equazione E=mc^2 si applica a un buco nero?

E=mc^2 è sempre vero. Nel caso di un buco nero, ad esempio, si è ipotizzato che i buchi neri possano, attraverso un trucco della meccanica quantistica, irradiare energia e, nel processo, la loro massa diminuirebbe.

Se nulla viaggia alla velocità della luce, tranne la luce, come può un buco nero attirare anche la luce in se stesso?

Il percorso che segue un raggio di luce può essere piegato da un corpo gravitante, anche la Terra (sebbene la curvatura in quel caso sia molto piccola). Questo effetto è stato misurato per la luce di una stella che passava davanti al Sole durante un'eclissi solare. Questa flessione dei raggi luminosi aumenta all'aumentare della forza del campo gravitazionale. Un buco nero è semplicemente una regione in cui l'effetto sulla luce è così grande che la luce non può sfuggire alla regione.

Qual è la migliore prova dell'esistenza dei buchi neri? È davvero solo una teoria?

Gli astronomi hanno trovato una mezza dozzina di sistemi di stelle binarie (due stelle orbitanti l'una intorno all'altra) in cui una delle stelle è invisibile, ma deve essere lì poiché attira con una forza gravitazionale sufficiente sull'altra stella visibile per farla orbitare intorno al loro centro di gravità comune E la massa della stella invisibile è considerevolmente maggiore di 3-5 masse solari. Pertanto si ritiene che queste stelle invisibili siano dei buoni candidati buchi neri. Ci sono anche prove che esistono buchi neri supermassicci (circa 1 miliardo di masse solari) al centro di molte galassie e quasar. In quest'ultimo caso, altre spiegazioni sull'emissione di energia da parte dei quasar non sono buone quanto la spiegazione che utilizza un buco nero supermassiccio. (Vedi, quando la materia cade in un campo gravitazionale, la sua velocità e quindi l'energia, aumenta. Se molta materia cade nello stesso momento, e vortica intorno al buco nero in un disco simile a un ingorgo in un vicolo cieco -sac, quindi l'attrito tra i vari pezzi di materia trasformerà gran parte di quella velocità-energia raccolta durante la caduta in calore, che viene poi irradiato.In questo modo, la materia che circonda un buco nero supermassiccio può irradiare più energia per grammo di carburante che può essere rilasciato da qualsiasi altro meccanismo che conosciamo, inclusa la fusione nucleare.)

Ho sentito dire che un buco nero "rutta" luce e radiazioni ogni volta che qualcosa cade nel suo orizzonte degli eventi. Cosa significa e perché succede?

Non sono sicuro a cosa si riferisca la persona, ma proverò a indovinare. Potrebbero riferirsi a ciò che accade quando il materiale cade in un buco nero attraverso l'azione di un disco di accrescimento. Quando grandi quantità di materiale si avvicinano a un buco nero, il materiale si troverà generalmente in una struttura simile a un disco orbitante con il buco al centro (cioè, sembrerà un po' come un sistema solare estremamente affollato). Il disco sarà estremamente caldo a causa dell'attrito tra materiale con diverse velocità orbitali a raggi orbitali leggermente diversi. Così il disco irradierà molta luce. Gran parte dell'energia cinetica in entrata del materiale viene irradiata attraverso questo processo di attrito-calore-luce. Questo è ciò che dà origine all'estrema luminosità dei quasar, e questo processo è ciò che ci rende in grado di trovare (possibilmente) buchi neri di massa stellare che fanno parte di un sistema di stelle doppie. In quest'ultimo caso, il materiale in caduta dalla stella vicina crea il disco di accrescimento attorno al buco nero e i raggi X vengono emessi dal disco (i raggi X sono emessi da materia estremamente calda, proprio come il filamento non così caldo di una lampadina emette luce visibile). Nel caso del quasar, un buco nero supermassiccio (un miliardo di masse solari circa) si trova al centro di una galassia e il gas vicino al buco nero forma un disco di accrescimento attorno al buco. il risultato.

In nessuno di questi casi la luce viene emessa, e ci raggiunge, da sotto l'orizzonte degli eventi del buco nero. Nulla può sfuggire da sotto l'orizzonte degli eventi.

Riesci a vedere un buco nero? Che aspetto ha un buco nero?

Non direttamente. Niente, nemmeno la luce, può sfuggire da un buco nero.

D'altra parte, puoi vedere alcuni dei fuochi d'artificio in corso vicino a un buco nero. Quando il gas cade in un buco nero (proveniente forse da una stella vicina), il gas si riscalda e si illumina, diventando visibile. In genere, il gas emette non solo luce visibile, ma anche fotoni più energetici come i raggi X. Quello che ci aspetteremmo di vedere (se i nostri telescopi potessero "ingrandire" abbastanza) sarebbe un disco di materiale rotante incandescente, con il buco nero al centro del disco. Vedi le risposte sopra.

[Nota dell'editore Aprile 2019: Il 10 aprile The Event Horizon Telescope Collaboration ha rilasciato la prima immagine di un buco nero. L'immagine è del buco nero super massiccio nella galassia M87 a circa 50 milioni di anni luce di distanza. Questa immagine è sotto e mostra l'emissione (radio con lunghezza d'onda di 1,3 mm) dal disco di accrescimento che circonda il buco nero. Maggiori informazioni su questa immagine possono essere trovate dal gruppo di ricerca stesso https://eventhorizontelescope.org]

La prima immagine di un buco nero scattata dall'Event Horizon Telescope.

[Nota dell'editore dicembre 2018: il film del 2014 "Interstellar" descrive una visione scientificamente accurata di ciò che si vedrebbe se si guardasse un buco nero. L'immagine seguente mostra una clip del film. La luce che vedi proviene dal gas discusso in precedenza. ]

Questa visione di un buco nero è stata creata con l'aiuto del fisico e premio Nobel Kipp Thorne e di oltre 30 altri. La simulazione risultante ha portato alla pubblicazione di 3 articoli scientifici. Per ulteriori informazioni, puoi leggere il libro di Kipp Thorne: The Science of Interstellar, ISBN-13: 978-0393351378]

Quanto può diventare grande un buco nero?

Non c'è limite a quanto può essere grande un buco nero. Tuttavia, i buchi neri più grandi che pensiamo esistano sono al centro di molte galassie e hanno masse equivalenti a circa un miliardo di soli (cioè un miliardo di masse solari). I loro raggi sarebbero una frazione considerevole del raggio del nostro sistema solare.

Quanto può essere piccolo un buco nero?

Secondo la Relatività Generale (la teoria che predice e spiega la maggior parte delle caratteristiche dei buchi neri), non esiste un limite inferiore alla dimensione di un buco nero. Ma una teoria completa di come funziona la gravità deve includere anche la meccanica quantistica, e tale teoria deve ancora essere costruita. Alcuni suggerimenti da recenti lavori su questa teoria suggeriscono che un buco nero non può essere più piccolo di circa "10-to-the-(-33)" cm di raggio --- 0.000000000000000000000000000000001 cm. Su una scala così piccola, anche la natura apparentemente liscia dello spazio si scomporrà in una "trappola per topi" di tunnel, anelli e altre strutture intrecciate! Almeno, questo è ciò che suggerisce il lavoro attuale.

In riferimento alla risposta alla prima domanda, perché le forze degli elettroni interni di una stella non aumentano alla stessa velocità delle forze gravitazionali?

In breve, la pressione dell'elettrone degenere nella stella dipende dalla densità del gas in un modo specifico che non ha alcuna dipendenza diretta da come la gravità e la densità sono correlate. Se desideri una relazione matematica, è: la pressione è proporzionale alla densità elevata alla potenza 5/3. Questo potere è determinato dalle proprietà della meccanica quantistica (e non ha nulla a che fare con la gravità). D'altra parte, la forza gravitazionale alla superficie (ad esempio) della stella è proporzionale alla massa della stella e inversamente proporzionale al quadrato del suo raggio (a causa della legge di gravità universale di Newton!) Se provo ad esprimere questa gravità superficiale in termini di densità della stella (è la densità media), trovo che M/r^2 è proporzionale alla densità per r. Quindi, vedi, "densità per r" non è niente come "densità elevata alla potenza 5/3".

Will an observer falling into a black hole be able to witness all future events in the universe outside the black hole?

The normal presentation of these gravitational time dilation effects can lead one to a mistaken conclusion. It is true that if an observer (A) is stationary near the event horizon of a black hole, and a second observer (B) is stationary at great distance from the event horizon, then B will see A's clock to be ticking slow, and A will see B's clock to be ticking fast. But if A falls down toward the event horizon (eventually crossing it) while B remains stationary, then what each sees is not as straight forward as the above situation suggests.

As B sees things: A falls toward the event horizon, photons from A take longer and longer to climb out of the "gravtiational well" leading to the apparent slowing down of A's clock as seen by B, and when A is at the horizon, any photon emitted by A's clock takes (formally) an infinite time to get out to B. Imagine that each person's clock emits one photon for each tick of the clock, to make it easy to think about. Thus, A appears to freeze, as seen by B, just as you say. However, A has crossed the event horizon! It is only an illusion (literally an "optical" illusion) that makes B think A never crosses the horizon.

As A sees things: A falls, and crosses the horizon (in perhaps a very short time). A sees B's clock emitting photons, but A is rushing away from B, and so never gets to collect more than a finite number of those photons before crossing the event horizon. (If you wish, you can think of this as due to a cancellation of the gravitational time dilation by a doppler effect --- due to the motion of A away from B). After crossing the event horizon, the photons coming in from above are not easily sorted out by origin, so A cannot figure out how B's clock continued to tick.

A finite number of photons were emitted by A before A crossed the horizon, and a finite number of photons were emitted by B (and collected by A) before A crossed the horizon.

You might ask What if A were to be lowered ever so slowly toward the event horizon? Yes, then the doppler effect would not come into play, UNTIL, at some practical limit, A got too close to the horizon and would not be able to keep from falling in. Then A would only see a finite total of photons form B (but now a larger number --- covering more of B's time). Of course, if A "hung on" long enough before actually falling in, then A might see the future course of the universe.

Bottom line: simply falling into a black hole won't give you a view of the entire future of the universe. Black holes can exist without being part of the final big crunch, and matter can fall into black holes.

For a very nice discussion of black holes for non-scientists, see Kip Thorne's book: Black Holes and Time Warps [ISBN: 978-0393312768]

Could black holes be used as an energy source?

There a great deal of information on the potential use of a black hole as a source of energy. (Of course, it should be mentioned that one must first acquire a black hole! At least in the case of the Sun, we already have the Sun!) An excellent source of information on black holes, written for the layperson, is Kip Thorne's excellent book: Black Holes and Time Warps. I suggest you consult it for "all the information [I] could possibly give" you.

In brief, a rotating black hole can store a huge amount of energy in its rotation. This energy is actually accessible since the rotation is imposed on the space outside the hole. In principle, therefore, energy can be extracted from the rotation of the black hole. Exactly what mechanism is used is a potentially complicated story.

I read somewhere that in the VERY distant future black holes could leak and disperse. Can that happen? If it can, how?

As yoy probably know, any object falling into a black hole cannot get out. However, over a very long time, particles of matter "leak" out of a black hole. So, even if all of the objects in the universe were to end up in black holes, after a long, long time, the holes would gradually lose their matter, and the matter would disperse througout the universe (as a thin gas of particles).

The process by which black holes lose matter is called Hawking radiation, after Stephen Hawking, the person who first figured out how it might happen. How it happens is a complicated story. One way of looking at the story uses concept of "virtual particles." At any moment, particle-antiparticle pairs are appearing and disappearing at any location, even just near the event horizon ("surface") of a black hole. These pairs exist for a short time, so short that we cannot measure their masses accurately enough to even know that they are there (however, we do know of their presence by the other effects they cause). But, for a pair near a black hole, one of the particles may fall into the hole, leaving the other without a partner the particle left behind can't be quickly annihilated by its now missing partner (which is what happens normally). So the lonely particle left behind finds itself no longer "virtual," but now "real," just like any particle in your body. Since this particle is now real, it contains some amount of mass, and that mass has been supplied by the energy of the black hole (through the hole's gravity): the now real particle exists because it has taken mass from the black hole. Thus, gradually, mass leaves the black hole in the form of new particles appearing outside the hole. This process by which black holes lose mass is very slow (at least for massive black holes made from stars), so the time it would take for a typical black hole to eventually disappear is very long. (For a black hole of a mass equal to the mass of the Sun, the entire process would take about 10^66 years, or 1 with 66 zeros after it.)


Astronomers Just Upsized an Iconic Black Hole

New evidence suggests the first known black hole is bigger than previously thought, which may force scientists to reconsider their understanding of how giant stars give rise to black holes.

Scientists think stellar-mass black holes, which contain up to a few times the sun's mass, form when giant stars die and collapse in on themselves. The first black hole ever discovered was Cygnus X-1, located within the Milky Way in the constellation of Cygnus, the Swan. Astronomers saw the first signs of the black hole in 1964 via gas it sucked away from a closely orbiting blue supergiant star. As this gas spiraled into the black hole, it became so hot it emitted high-energy X-rays and gamma-rays that satellites could detect.

A trio of studies in 2011 suggested Cygnus X-1 was located about 6,070 light-years from Earth, but the new research suggests the black hole is actually about 7,240 light-years away. Because other characteristics of the object are calculated based on distance, the new calculation argues that Cygnus X-1 is quite a bit larger than scientists had realized.

To estimate the black hole's distance, scientists use the so-called parallax technique, which examines Cygnus X-1 compared to its background. "If you hold a finger at arm's length and close one eye and then the other, you will see it [your finger] appear to move from one spot to another in comparison with more distant background objects," James Miller-Jones, an astrophysicist at the Curtin University node of the International Center for Radio Astronomy Research in Perth, Australia, lead author on the new study and co-author on some of the 2011 research, told Space.com. "Using that same idea, one can calculate how far away Cygnus X-1 was by looking at it from different vantage points as Earth moved around the sun."

The 2011 work analyzed the light from the black hole's companion star to help estimate the star&rsquos diameter. With this measurement, researchers calculated other details of the partnership, such as the black hole's mass, suggesting it was about 14.8 times that of the sun.

However, the 2011 research did not collect data from the black hole throughout a full orbit around its companion star. Without that information, the prior work could not fully account for how these orbital motions might affect the distance and mass estimates.

In the new study, Miller-Jones and his colleagues analyzed observations of Cygnus X-1 from the Very Long Baseline Array (VLBA), a giant radio telescope made of 10 dishes scattered across the U.S. Over the course of six 12-hour-long observations carried out on consecutive days, the researchers monitored the full orbit of the black hole.

Using the parallax technique on this new data combined with the 2011 data, the scientists found the black hole may be farther away that previously thought, about 7,240 light-years from Earth.

These new findings led the researchers to revise what models of the motions of Cygnus X-1's companion star, which in turn led to a new estimated mass for the black hole &mdash about 21.2 times that of the sun. This size makes Cygnus X-1 the largest stellar-mass black hole detected to date with observations of light. (Gravitational-wave observatories such as LIGO that detect ripples in the fabric of space and time have detected larger stellar-mass black holes, including one about 50 times the sun's mass.)

These findings suggest that the stars that form stellar-mass black holes may not lose as much material via winds as previously thought. "The mass of a black hole is set by how massive a star it started off as," Miller-Jones said. "Stars lose mass as winds blowing off their surface, and massive stars generate more powerful winds. The most massive stars can have very powerful winds, and lose a lot of mass through them before they form black holes."

The newfound giant size of Cygnus X-1 therefore suggests the stars that form stellar-mass black holes can be larger than previously thought. "Previous models predicted the most massive black hole a massive star in our Milky Way galaxy should be able to make should only be about 15 times the mass of the sun," Miller-Jones said. "So finding something 21 times the mass of the sun means we have to revise our estimates of how much mass these massive stars are losing."

The updated estimates of the black hole's mass and distance also helped revealed the object is spinning very close to the speed of light, "faster than any other black hole found to date," study co-author Xueshan Zhao at the Chinese Academy of Sciences in Beijing, said in a statement.

And even larger stellar-mass black holes may be waiting for scientists' attention. "Cygnus X-1 is unlikely the most massive stellar-mass black hole that can be produced," Miller-Jones said. "The question is can we identify them, and how accurately can we measure their masses?"

The scientists detailed their findings online Feb. 18 in the journal Science. Two other papers focusing on different aspects of this work also appeared Feb. 18 in The Astrophysical Journal.

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ABOUT THE AUTHOR(S)

Charles Q. Choi is a frequent contributor to Scientifico americano. His work has also appeared in The New York Times, Science, Nature, Wired, e LiveScience, tra gli altri. In his spare time, he has traveled to all seven continents.


The problem of artificial intelligence

Another concern was over artificial intelligence. Here the concern was not so much existential. By this, I mean the speakers were not fearful that some computer was going to wake up into consciousness and decide that the human race needed to be enslaved. Instead, the danger was more subtle but no less potent. Susan Halpern, also one of our greatest non-fiction writers, gave an insightful talk that focused on the artificiale aspect of artificial intelligence. Walking us through numerous examples of how "brittle" machine learning algorithms at the heart of modern AI systems are, Halpern was able to pinpoint how these systems are not intelligent at all but carry all the biases of their makers (often unconscious ones). For example, facial recognition algorithms can have a hard time differentiating the faces of women of color, most likely because the "training data sets" the algorithms were taught were not representative of these human beings. But because these machines supposedly rely on data and "data don't lie," these systems get deployed into everything from making decisions about justice to making decisions about who gets insurance. And these are decisions that can have profound effects on people's lives.

Then there was the general trend of AI being deployed in the service of both surveillance capitalism and the surveillance state. In the former, your behavior is always being watched and used against you in terms of swaying your purchasing decisions in the latter, you are always being watched by those in power. Accidenti!


What is a "Black Hole" my opinion

One other thing I just read somewhere off my phone was an article that said Black Holes have a charge. Now, it did not explain, what a "Charge" is so I'm assuming positive negative charge? I have more questions than answers about a Black Hole.

But could an exploding star violently, in the vacuum of space, cause an effect like a sucking in of Dark Matter to fill the void?

My thinking is that if you don't ask the question, the answer will always be dangling in your mind. Grazie

Vincenzosassone

Neil Fountaine

Neil Fountaine

IG2007

"Don't criticize what you can't understand. "

Neil Fountaine

Helio

If we require science to only address truths and absolutes, then you're correct. But over the centuries, we found a system that helps us have a conversation with Nature that allows us to better understand, with limitations, what explains what we observe.

Science is objective-based, so facts are its foundation. With facts we can form ideas, but the best ideas will be the ones that best describe the objective evidence, and makes predictions we can test. This idea is either a hypothesis or, if far-reaching, a scientific theory.

We can't go into BHs then come out of the EH (Event Horizon) to bring us facts as not even light can escape. But we can infer some of the things that we can't see.

Indeed, look how a black hole was first discovered. The only explanation for what was being observed -- x-rays from a very active accretion disk swirling around a tiny spot of darkness -- was a BH. Schwarzschild theorized that they might exist, though Einstein questioned that idea.

It's impossible to see the light from a blackhole itself, but we can, now with abundant observations, infer it's existence. We also can't see the Sun at night, but we have a great idea where that bright thing is at all times, nevertheless. Direct observations are always preferred, but indirect ones can work fine as well.

Questioning was is factual and what is not is the right approach to all science, but know absolutes aren't likely going to happen from whatever pieces of the puzzle you manage to acquire.

Helio

Yes, in the context of directly observable objects.

BHs force us to rethink what we are calling mass. Our experience in picking up stuff like rocks and furniture is one definition. But formally it is how something reacts to a gravitational field. [I'm trying to lose weight and the scale said I only lost a little, so I know (objectively) that I did lose a little mass. ]

There are two important barriers a stellar core has in order to oppose its core from collapsing into a BH. But the mass of the star's core will determine the outcome.

The first barrier is about electron action (degeneracy) -- it's not just an electric field due to electron density but more complicated -- that opposes the collapse. This gives you a white dwarf. Our Sun's mass is such that this is its final state for its remaining core.

But, if more massive, this barrier will very quickly give way to the more massive core (and stronger gravity) to bring it to the next barrier where something happens with the electrons combining with protons to form neutrons, but they are really going nuts in there and you don't have mass of pure neutrons. Regardless, this will produce a force that counters the extreme gravitational field it has, and it will never collapse into a BH, unless its given more mass, which would thing give us.

A BH, where the gravity, due to more mass, overcomes all other forces and it collapses into, many think, a singularity. But perhaps it comes incredibly close to one instead.

I hope this helps frame BH questions you can ask Dr. Pesce tomorrow regarding BHs.

Neil Fountaine

Helio

IG2007

"Don't criticize what you can't understand. "

Vincenzosassone

Vuotoenergia potenziale voi

IMO a black hole is a compression of quantum Fluctuation.
Since the quanta distance is set in the universe when you compress it you also compress time/activity/space.
A black hole is compressed matter that would like to compress forever but the compression of time/space/activity slows that compression forever.
Reason a black hole doesn't shrink forever and become an infinite point of mass and consume the entire universe.

Not a mystery object with strange physics breakdowns, just a compression of quanta distance self regulated as compression grows.

Vincenzosassone

Vuotoenergia potenziale voi

And that is the problem of classical black hole theory.
Once matter is compressed beyond the nuclear force nothing in the universe can stop it from continuing to shrink instantly and become infinite in mass.

Hawkings idea of radiation escaping is quaint but takes into no part the reason a black hole stops shrinking is size.
Or is shrinking so slowly we can't detect the shrink.

Either physics is wrong or black hole theory is wrong since we see no black hole in the universe collapse infinitely and consume the universe.

Proof that a black hole is a compression of time is the simple fact that black holes occupy different sizes in the universe so something controls them compressing and since the last force (nuclear) isn't it, then it must be a compression of time/space/activity.

We have everything from earth size black holes to solar system size black holes and no one has questioned why the difference in size.

Nothing can escape a time well and an ever increasing time well stops/slows forever a black hole shrink nicely as the last mechanism possible.
JMO

Helio

I've not heard of this, but I'm a rookie at PBHs. Do you have a source reference for this?

But matter formed them, right?

Helio

That's logical, but not testable, right? We can suppose this to be true, but infinites come with their own headaches, no doubt.

The rate is dependent on the mass. The fear that CERN would create a micro blackhole that would become all-consuming was proved to be a false assumption. Any micro mass BH immediately evaporates.

A BH doesn't increase in gravity, but only increases in its field density. If a magic wand turned the Sun into a BH, the orbit of planets would remain just as stable now as before. The mass of the, now dark, Sun would be unchanged so the gravitational field at the planets would be the same.

Vuotoenergia potenziale voi

That's logical, but not testable, right? We can suppose this to be true, but infinites come with their own headaches, no doubt.

The rate is dependent on the mass. The fear that CERN would create a micro blackhole that would become all-consuming was proved to be a false assumption. Any micro mass BH immediately evaporates.

A BH doesn't increase in gravity, but only increases in its field density. If a magic wand turned the Sun into a BH, the orbit of planets would remain just as stable now as before. The mass of the, now dark, Sun would be unchanged so the gravitational field at the planets would be the same.

You will find that each example comes with a specific mass. The black holes at the center of the galaxy are called SMBHs (Supper Massive Black Holes) because they have masses sometimes in the many billions of solar masses.

A black hole being just a time well resolves many of the mysteries of black holes.
As a time well size will appear since compression is slowed no matter what size a black hole is.
Also answers why when we go beyond the nuclear force a black hole simply doesn't collapse into an infinite mass point and put infinite gravity into the universe and consume it.

Hawkins radiation might be true or it might not but in a location that is nothing more than a time well it doesn't matter since nothing will escape an ever increasing time dialation.

Proof i think is the fact that black holes have different sizes, not mass but size.
Why black hole A is size of earth and black hole B is size of solar system when the nuclear force on both is overwhelmed in the exact same amount .
That fact with classical black hole theory has no good explanation.
As a time well it's simple time compression/mass math.

We see no infinite mass points in the universe so classical black hole theory is missing some goodies that stop or slow them forever.
Quantum compression or time compression could be the last thing that stops a black holes collapse.
They still collapse it just takes forever to happen.


Will we ever see a black hole?

The shadow of a black hole surrounded by a ring of fire in a generic simulation. Credit: T. Bronzwaer, M. Moscibrodzka, H. Falcke Radboud University

In the shadowy regions of black holes two fundamental theories describing our world collide. Can these problems be resolved and do black holes really exist? First, we may have to see one and scientists are trying to do just this.

Of all the forces in physics there is one that we still do not understand at all: Gravity.

Gravity is where fundamental physics and astronomy meet, and where the two most fundamental theories describing our world—quantum theory and Einstein's theory of spacetime and gravity (aka. the theory of general relativity) – clash head on.

The two theories are seemingly incompatible. And for the most part this isn't a problem. They both live in distinct worlds, where quantum physics describes the very small, and general relativity describes the very largest scales.

Only when you get to very small scales and extreme gravity, do the two theories collide, and somehow, one of them gets it wrong. At least in theory.

But there is once place in the universe where we could actually witness this problem occurring in real life and perhaps even solve it: the edge of a black hole. Here, we find the most extreme gravity. There's just one issue – nobody has ever actually 'seen' a black hole.

So, what is a black hole?

Imagine that the entire drama of the physical world unfolds in the theatre of spacetime, but gravity is the only 'force' that actually modifies the theatre in which it plays.

The force of gravity rules the universe, but it may not even be a force in the traditional sense. Einstein described it as a consequence of the deformation of spacetime. And perhaps it simply does not fit the standard model of particle physics.

When a very big star explodes at the end of its lifetime, its innermost part will collapse under its own gravity, since there is no longer enough fuel to sustain the pressure working against the force of gravity (yes, gravity feels like a force after all, doesn't it!).

The matter collapses and no force in nature is known to be able to stop that collapse, ever.

In an infinite time, the star will have collapsed into an infinitely small point: a singularity – or to give it another name, a black hole.

Of course, in a finite time the stellar core will have collapsed into something of a finite size and this would still be a huge amount of mass in an insanely small region and it still is called a black hole!

Black holes do not suck in everything around them

Interestingly, it is not true that a black hole will inevitably draw everything in.

In fact, whether you are orbiting a star or a black hole that formed from a star, it does not make a difference, so long as the mass is the same. The good old centrifugal force and your angular momentum will keep you safe and stop you from falling in.

Only when you fire your giant rocket thrusters to brake your rotation, will you start falling inwards.

However, once you fall towards a black hole you will be accelerated to higher and higher speeds, until you eventually reach the speed of light.

Simulated image as predicted for the supermassive black in the galaxy M87 at the frequencies observed with the Event Horizon Telescope (230 GHz). Credit: Moscibrodzka, Falcke, Shiokawa, Astronomy & Astrophysics, V. 586, p. 15, 2016, reproduced with permission © ESO

Why are quantum theory and general relativity incompatible?

At this point everything goes wrong as, according to general relativity, nothing should move faster than the speed of light.

Light is the substrate used in the quantum world to exchange forces and to transport information in the macro world. Light determines how fast you can connect cause and consequences.

If you go faster than light, you could see events and change things before they happen. This has two consequences:

  1. At the point where you reach the speed of light while falling inwards, you would also need to fly out at the speed of light to escape that point, which seems impossible. Hence, conventional physical wisdom will tell you that nothing can escape a black hole, once it has passed that point, which we call the "event horizon."
  2. It also means that suddenly basic principles of quantum information preservation are brutally violated – conserved quantum quantities can simply disappear behind a wall of silence.

Whether that is true and whether and how the theory of gravity (or of quantum physics) needs to be modified is a question of intense debate among physicists, and none of us can say which way the argument will lead in the end.

Do black holes even exist?

Of course, all this excitement would only be justified, if black holes really existed in this universe. So, do they?

In the last century strong evidence has mounted that certain binary stars with intense X-ray emissions are in fact stars collapsed into black holes.

Moreover, in the centres of galaxies we often find evidence for huge, dark concentrations of mass. These might be supermassive versions of black holes, possibly formed through the merger of many stars and gas clouds that have sunk into the centre of a galaxy.

The evidence is convincing, but circumstantial. At least gravitational waves have let us 'hear' the merger of black holes, but the signature of the event horizon is still elusive and so far, we have never actually 'seen' a black hole – they simply tend to be too small and too far and, in most cases, yes, black.

So, what would a black hole actually look like?

If you could look straight into a black hole you would see the darkest dark, you can imagine.

But, the immediate surroundings of a black hole could be bright as gasses spiral inwards –slowed down by the drag of magnetic fields they carry along.

Due to the magnetic friction the gas will heat up to enormous temperatures of up to several tens of billion degrees and start to radiate UV-light and X-rays.

Ultra-hot electrons interacting with the magnetic field in the gas will start producing intense radio emission. Thus, black holes can glow and could be surrounded by a ring of fire that radiates at many different wavelengths.

A ring of fire with a dark, dark centre

In their very centre, however, the event horizon still lurks and like a bird of prey it catches every photon that gets too close.

Radio images of the jet in the radio galaxy M87 – observed at lower resolution. The left frame is roughly 250,000 light years across. Magnetic fields threading the supermassive black holes lead to the formation of a highly collimated jet that spits out hot plasma with speeds close to the speed of light . Credit: H. Falcke, Radboud university, with images from LOFAR/NRAO/MPIfR Bonn

Since space is bent by the enormous mass of a black hole, light paths will also be bent and even form into almost concentric circles around the black hole, like serpentines around a deep valley. This effect of circling light was calculated already in 1916 by the famous Mathematician David Hilbert only a few months after Albert Einstein finalised his theory of general relativity.

After orbiting the black hole multiple times, some of the light rays might escape while others will end up in the event horizon. Along this complicated light path, you can literally look into the black hole. The nothingness you see is the event horizon.

If you were to take a photo of a black hole, what you would see would be akin to a dark shadow in the middle of a glowing fog of light. Hence, we called this feature the shadow of a black hole .

Interestingly, the shadow appears larger than you might expect by simply taking the diameter of the event horizon. The reason is simply, that the black hole acts as a giant lens, amplifying itself.

Surrounding the shadow will be a thin 'photon ring' due to light circling the black hole almost forever. Further out, you would see more rings of light that arise from near the event horizon, but tend to be concentrated around the black hole shadow due to the lensing effect.

Is this pure fantasy that can only be simulated in a computer? Or can it actually be seen in practice? The answer is that it probably can.

There are two relatively nearby supermassive black holes in the universe which are so large and close, that their shadows could be resolved with modern technology.

These are the black holes in the center of our own Milky Way at a distance of 26,000 lightyears with a mass of 4 million times the mass of the sun, and the black hole in the giant elliptical galaxy M87 (Messier 87) with a mass of 3 to 6 billion solar masses.

M87 is a thousand times further away, but also a thousand times more massive and a thousand times larger, so that both objects are expected to have roughly the same shadow diameter projected onto the sky.

Like seeing a grain of mustard in New York from Europe

Coincidentally, simple theories of radiation also predict that for both objects the emission generated near the event horizon would be emitted at the same radio frequencies of 230 GHz and above.

Most of us come across these frequencies only when we have to pass through a modern airport scanner but some black holes are continuously bathed in them.

The radiation has a very short wavelength of about one millimetre and is easily absorbed by water. For a telescope to observe cosmic millimetre waves it will therefore have to be placed high up, on a dry mountain, to avoid absorption of the radiation in the Earth's troposphere.

Effectively, you need a millimetre-wave telescope that can see an object the size of a mustard seed in New York from as far away as Nijmegen in the Netherlands. That is a telescope a thousand times sharper than the Hubble Space Telescope and for millimetre-waves this requires a telescope the size of the Atlantic Ocean or larger.

A virtual Earth-sized telescope

Fortunately, we do not need to cover the Earth with a single radio dish, but we can build a virtual telescope with the same resolution by combining data from telescopes on different mountains across the Earth.

The technique is called Earth rotation synthesis and very long baseline interferometry (VLBI). The idea is old and has been tested for decades already, but it is only now possible at high radio frequencies.

Layout of the Event Horizon Telescope connecting radio telescopes around the world (JCMT & SMA in Hawaii, AMTO in Arizona, LMT in Mexico, ALMA &APEX in Chile, SPT on the South Pole, IRAM 30m in Spain). The red lines are to a proposed telescope on the Gamsberg in Namibia that is still being planned. Credit: ScienceNordic / Forskerzonen. Compiled from images provided by the author

The first successful experiments have already shown that event horizon structures can be probed at these frequencies. Now high-bandwidth digital equipment and large telescopes are available to do this experiment on a large scale.

Work is already underway

I am one of the three Principal Investigators of the BlackHoleCam project. BlackHoleCam is an EU-funded project to finally image, measure and understand astrophysical black holes. Our European project is part of a global collaboration known as the Event Horizon Telescope consortium – a collaboration of over 200 scientists from Europe, the Americas, Asia, and Africa. Together we want to take the first picture of a black hole.

In April 2017 we observed the Galactic Center and M87 with eight telescopes on six different mountains in Spain, Arizona, Hawaii, Mexico, Chile, and the South Pole.

All telescopes were equipped with precise atomic clocks to accurately synchronise their data. We recorded multiple petabytes of raw data, thanks to surprisingly good weather conditions around the globe at the time.

We are all excited about working with this data. Of course, even in the best of all cases, the images will never look as pretty as the computer simulations. But, at least they will be real and whatever we see will be interesting in its own right.

To get even better images telescopes in Greenland and France are being added. Moreover, we have started raising funds for additional telescopes in Africa and perhaps elsewhere and we are even thinking about telescopes in space.

A 'photo' of a black hole

If we actually succeed in seeing an event horizon, we will know that the problems we have in rhyming quantum theory and general relativity are not abstract problems, but are very real. And we can point to them in the very real shadowy regions of black holes in a clearly marked region of our universe.

This is perhaps also the place where these problems will eventually be solved.

We could do this by obtaining sharper images of the shadow, or maybe by tracing stars and pulsars as they orbit around black holes, through measuring spacetime ripples as black holes merge, or as is most likely, by using all of the techniques that we now have, together, to probe black holes.

A once exotic concept is now a real working laboratory

As a student, I wondered what to study: particle physics or astrophysics? After reading many popular science articles, my impression was that particle physics had already reached its peak. This field had established an impressive standard model and was able to explain most of the forces and the particles governing our world.

Astronomy though, had just started to explore the depths of a fascinating universe. There was still a lot to be discovered. And I wanted to discover something.

In the end, I chose astrophysics as I wanted to understand gravity. And since you find the most extreme gravity near black holes, I decided to stay as close to them as possible.

Today, what used to be an exotic concept when I started my studies, promises to become a very real and very much visible physics laboratory in the not too distant future.

This story is republished courtesy of ScienceNordic, the trusted source for English-language science news from the Nordic countries. Read the original story here.


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