Jejari Schwarzschild (Jawi: ججاري شۏاتشيلد) ialah parameter dalam penyelesaian Schwarzschild kepada persamaan medan Einstein yang sepadan dengan jejari sfera dalam ruang rata yang mempunyai luas permukaan yang sama dengan ufuk peristiwa lohong hitam Schwarzschild bagi jisim tertentu. Ia adalah kuantiti ciri yang boleh dikaitkan dengan mana-mana kuantiti jisim. Jejari Schwarzschild dinamakan sempena ahli astronomi Jerman, Karl Schwarzschild, yang mengira penyelesaian ini untuk teori kerelatifan am pada tahun 1916.
Jejari Schwarzschild diberikan sebagaidi mana G adalah pemalar daya graviti Newton, M adalah jisim objek dan c adalah kelajuan cahaya.[1][2]
Sejarah
Pada tahun 1916, Karl Schwarzschild memperoleh penyelesaian tepat[3][4] kepada persamaan medan Einstein untuk medan graviti di luar jasad simetri sfera yang tidak berputar dengan jisim (lihat metrik Schwarzschild). Penyelesaian itu mengandungi sebutan dalam bentuk dan , yang masing-masing mempunyai ketunggalan pada dan . ini dikenali sebagai jejari Schwarzschild. Kepentingan fizikal ketunggalan ini telah dibahaskan selama beberapa dekad. Didapati bahawa ketunggalan pada adalah ketunggalan koordinat, bermaksud ia adalah artifak daripada sistem koordinat tertentu yang digunakan; manakala singulariti pada adalah ketunggalan ruang-masa dan tidak boleh dikeluarkan.[5] Jejari Schwarzschild walau bagaimanapun adalah kuantiti yang relevan secara fizikal, seperti yang dinyatakan di atas dan di bawah.
Sebelum ini, ungkapan ini telah dikira, menggunakan mekanik Newton, sebagai jejari bagi jasad simetri sfera di mana halaju lepas adalah sama dengan kelajuan cahaya. Ia telah dikenal pasti pada abad ke-18 oleh John Michell[6] dan Pierre-Simon Laplace.[7]
Parameter
Jejari Schwarzschild bagi sesuatu objek adalah berkadar terus dengan jisimnya. Oleh itu, Matahari mempunyai jejari Schwarzschild kira-kira 3.0 km (1.9 bt),[8] manakala Bumi pula kira-kira 9 mm (0.35 in)[8] dan Bulan kira-kira 0.1 mm (0.004 in).
| Objek | Jisim | Jejari Schwarzschild | Jejari sebenar | Ketumpatan Schwarzschild atau |
|---|---|---|---|---|
| Bima Sakti | 1.6×1042 kg | 2.4×1015 m (0.25 ly) | 5×1020 m (52900 ly) | 0.000029 kg/m3 |
| SMBH dalam Phoenix A (salah satu lohong hitam terbesar yang diketahui) | 2×1041 kg | 3×1014 m (~2000 AU) | 0.0018 kg/m3 | |
| Ton 618 | 1.3×1041 kg | 1.9×1014 m (~1300AU) | 0.0045 kg/m3 | |
| SMBH dalam NGC 4889 | 4.2×1040 kg | 6.2×1013 m (~410 AU) | 0.042 kg/m3 | |
| SMBH dalam Messier 87[9] | 1.3×1040 kg | 1.9×1013 m (~130 AU) | 0.44 kg/m3 | |
| SMBH dalam Galaksi Andromeda[10] | 3.4×1038 kg | 5.0×1011 m (3.3 AU) | 640 kg/m3 | |
| Sagittarius A* (SMBH dalam Bima Sakti)[11] | 8.26×1036 kg | 1.23×1010 m (0.08 AU) | 1.068×106 kg/m3 | |
| SMBH in NGC 4395[12] | 7.1568×1035 kg | 1.062×109 m (1.53 R⊙) | 1.4230×108 kg/m3 | |
| Lohong hitam pertengahan berpotensi dalam HCN-0.009-0.044[13][14] | 6.3616×1034 kg | 9.44×108 m (14.8 R⊕) | 1.8011×1010 kg/m3 | |
| Lohong hitam pertengahan yang terhasil daripada cantuman GW190521[15] | 2.823×1032 kg | 4.189×105 m (0.066R⊕) | 9.125×1014 kg/m3 | |
| Matahari | 1.99×1030 kg | 2.95×103 m | 7.0×108 m | 1.84×1019 kg/m3 |
| Musytari | 1.90×1027 kg | 2.82 m | 7.0×107 m | 2.02×1025 kg/m3 |
| Zuhal | 5.683×1026 kg | 8.42×10−1 m | 6.03×107 m | 2.27×1026 kg/m3 |
| Neptun | 1.024×1026 kg | 1.52×10−1 m | 2.47×107 m | 6.97×1027 kg/m3 |
| Uranus | 8.681×1025 kg | 1.29×10−1 m | 2.56×107 m | 9.68×1027 kg/m3 |
| Bumi | 5.97×1024 kg | 8.87×10−3 m | 6.37×106 m | 2.04×1030 kg/m3 |
| Zuhrah | 4.867×1024 kg | 7.21×10−3 m | 6.05×106 m | 3.10×1030 kg/m3 |
| Marikh | 6.39×1023 kg | 9.47×10−4 m | 3.39×106 m | 1.80×1032 kg/m3 |
| Utarid | 3.285×1023 kg | 4.87×10−4 m | 2.44×106 m | 6.79×1032 kg/m3 |
| Bulan | 7.35×1022 kg | 1.09×10−4 m | 1.74×106 m | 1.35×1034 kg/m3 |
| Manusia | 70 kg | 1.04×10−25 m | ~ 5×10−1 m | 1.49×1076 kg/m3 |
| Jisim Planck | 2.18×10−8 kg | 3.23×10−35 m (2 lP) | 1.54×1095 kg/m3 |
Terbitan
Pengelasan lohong hitam mengikut jejari Schwarzschild
| Kelas | JIsim anggaran | Jejari anggaran |
|---|---|---|
| Lohong hitam supermasif | 105–1011 MMatahari | 0.002–2000 AU |
| Lohong hitam jisim pertengahan | 103 MMatahari | 3000 km ≈ RMarikh |
| Lohong hitam najam | 10 MMatahari | 30 km |
| Lohong hitam mikro | up to MBulan | hingga ke 0.1 mm |
Objek yang jejarinya lebih kecil daripada jejari Schwarzschildnya dipanggil lohong hitam.[16]:410 Permukaan pada jejari Schwarzschild bertindak sebagai ufuk peristiwa dalam jasad yang tidak berputar (lohong hitam berputar beroperasi sedikit berbeza). Tiada cahaya mahupun zarah dapat melepasi permukaan ini dari kawasan dalam, justeru itu ia dinamakan "lohong hitam".
Lohong hitam boleh dikelaskan berdasarkan jejari Schwarzschildnya, atau secara setara, berdasarkan ketumpatannya, di mana ketumpatan ditakrifkan sebagai jisim lohong hitam dibahagikan dengan isipadu sfera Schwarzschildnya. Memandangkan jejari Schwarzschild berkait secara linear dengan jisim, manakala isipadu yang terkurung sepadan dengan kuasa ketiga jejari, lohong hitam kecil oleh itu jauh lebih tumpat daripada yang besar. Isipadu yang terkurung dalam ufuk peristiwa lohong hitam paling besar mempunyai ketumpatan purata yang lebih rendah daripada bintang jujukan utama.
Lohong hitam supermasif
Lohong hitam supermasif (SMBH) ialah jenis lohong hitam terbesar, walaupun terdapat beberapa kriteria rasmi tentang bagaimana objek sedemikian dianggap demikian, dalam lingkungan ratusan ribu hingga berbilion-bilion jisim suria. (Lohong hitam supermasif sehingga 21 bilion (2.1 × 1010) M☉ telah dikesan, seperti NGC 4889.)[17] Berbeza dengan lohong hitam jisim bintang, lohong hitam supermasif mempunyai ketumpatan purata yang agak rendah. (Ambil perhatian bahawa lohong hitam yang tidak berputar ialah kawasan sfera di angkasa yang mengelilingi titik tunggal (singularity) pada pusatnya; ia bukan lah titik tunggal itu sendiri.) Dengan itu, ketumpatan purata lohong hitam supermasif boleh jadi kurang daripada ketumpatan air.[perlu rujukan]
Jejari Schwarzschild sesuatu jasad adalah berkadar terus dengan jisimnya dan oleh itu dengan isipadunya, dengan andaian bahawa jasad tersebut mempunyai ketumpatan-jisim yang malar.[18] Sebaliknya, jejari fizikal jasad adalah berkadar terus dengan punca kuasa tiga isipadunya. Oleh itu, apabila sesuatu jasad mengumpul jirim pada ketumpatan tetap yang diberikan (dalam contoh ini, 997 kg/m3, ketumpatan air), jejari Schwarzschildnya akan meningkat lebih cepat daripada jejari fizikalnya. Apabila jasad dengan ketumpatan ini telah membesar hingga sekitar 136 juta jisim suria (1.36 × 108 M☉), jejari fizikalnya akan diatasi oleh jejari Schwarzschildnya, dan dengan itu ia akan membentuk lohong hitam supermasif.
Adalah difikirkan bahawa lohong hitam supermasif seperti ini tidak terbentuk serta-merta daripada keruntuhan tunggal kelompok bintang. Sebaliknya, ia mungkin bermula sebagai lohong hitam bersaiz bintang yang lebih kecil dan membesar dengan pertambahan jirim atau bahkan lohong hitam lain.[19]
Jejari Schwarzschild bagi lohong hitam supermasif di Pusat Galaksi Bima Sakti adalah kira-kira 12 juta kilometer.[11] Jisimnya adalah kira-kira 4.1 juta M☉.
Lohong hitam najam
Lohong hitam najam mempunyai ketumpatan purata yang jauh lebih besar daripada lohong hitam supermasif. Jika seseorang mengumpul jirim pada ketumpatan nuklear (ketumpatan nukleus atom, kira-kira 1018 kg/m3; bintang neutron juga mencapai ketumpatan ini), pengumpulan sedemikian akan jatuh dalam jejari Schwarzschildnya sendiri pada kira-kira 3 M☉ dan dengan itu akan menjadi lohong hitam najam.[perlu rujukan]
Lohong hitam mikro
Sesaran jisim yang kecil mempunyai jejari Schwarzschild yang sangat kecil. Sebuah lohong hitam berjisim serupa dengan Gunung Everest,[20] 6.3715×1014 kg, akan mempunyai jejari Schwarzschild yang jauh lebih kecil daripada nanometer. Jejari Schwarzschildnya adalah 2 × 6.6738×10−11 m3⋅kg−1⋅s−2 × 6.3715×1014 kg / (299792458 m⋅s−1)2 = 9.46×10−13 m = 9.46×10−4 nm. Ketumpatan puratanya pada saiz itu akan menjadi sangat tinggi sehingga tiada mekanisme yang diketahui boleh membentuk objek padat yang ekstrem. Lohong hitam sedemikian mungkin telah terbentuk pada peringkat awal perubahan alam semesta, sejurus selepas Dentuman Besar (Big Bang), apabila ketumpatan jirim adalah sangat tinggi. Oleh itu, lohong hitam miniatur hipotetikal ini dipangil lohong hitam primordial.[perlu rujukan]
Kegunaan lain
Dalam pendilatan masa graviti
Pendilatan masa graviti berhampiran jasad besar, berputar perlahan, hampir sfera, seperti Bumi atau Matahari boleh dianggarkan secara munasabah seperti berikut:[21]dimana:
- tr ialah masa yang berlalu bagi pemerhati pada koordinat jejari r di dalam medan graviti;
- t ialah masa yang berlalu bagi pemerhati yang jauh daripada objek besar (dan oleh itu di luar medan graviti);
- r ialah koordinat jejari pemerhati (yang serupa dengan jarak klasik dari pusat objek);
- rs ialah jejari Schwarzschild.
Persilangan panjang gelombang Compton
Jejari Schwarzschild () bagi jisim yang diberikan adalah dua kali ganda panjang gelombang Compton terturunnya () apabila sama dengan satu jisim Planck (); kedua-duanya kemudiannya sama dengan panjang Planck ().
Secara ringkasnya, apa yang dinyatakan oleh persamaan ini ialah terdapat satu titik unik di mana tiga konsep asas dalam fizik – jejari Schwarzschild (yang berkaitan dengan saiz lohong hitam), panjang gelombang Compton terturun (yang berkaitan dengan sifat kuantum zarah), dan jisim Planck (satu unit jisim yang sangat kecil dari fizik kuantum) – semuanya bertemu. Pada jisim yang sangat khusus ini, yang dikenali sebagai jisim Planck, jejari Schwarzschild dan panjang gelombang Compton terturun menjadi sama, dan nilai ini juga sama dengan panjang Planck. Panjang Planck ini adalah skala jarak terkecil yang ada makna dalam fizik, di mana kesan graviti dan kuantum menjadi sama penting. Ini menunjukkan hubungan yang mendalam antara teori kerelatifan am (yang menerangkan graviti) dan mekanik kuantum (yang menerangkan zarah-zarah sangat kecil) pada skala yang ekstrem.
Mengira isipadu maksimum dan jejari yang mungkin diberikan kepadatan sebelum lohong hitam terbentuk
Persamaan jejari Schwarzschild boleh dimanipulasi untuk menghasilkan ungkapan yang memberikan jejari terbesar yang mungkin daripada input ketumpatan yang tidak membentuk lohong hitam. Mengambil input ketumpatan sebagai ρ,
Contohnya, ketumpatan air ialah 1000 kg/m3 . Ini bermakna jumlah air terbesar yang boleh anda miliki tanpa membentuk lohong hitam akan mempunyai jejari 400,920,754 km (kira-kira 2.67 AU).
Lihat juga
- Lohong hitam, tinjauan umum
- Had Chandrasekhar, keperluan kedua untuk pembentukan lohong hitam
- John Michell
Pengelasan lohong hitam mengikut jenis:
- Lohong hitam statik atau Schwarzschild
- Lohong hitam berputar atau Kerr
- Lohong hitam bercas atau lohong hitam Newman dan lohong hitam Kerr–Newman
Pengelasan lohong hitam mengikut jisim:
- Lohong hitam mikro dan lohong hitam ekstra dimensi
- Panjang Planck
- Lohong hitam primordial, sisa hipotesis Big Bang
- Lohong hitam najam, yang boleh menjadi lohong hitam statik atau lohong hitam berputar
- Lohong hitam supermasif, yang juga boleh menjadi lohong hitam statik atau lohong hitam berputar
- Alam semesta yang boleh dilihat, jika ketumpatannya ialah ketumpatan kritikal, sebagai lohong hitam hipotesis
- Lohong hitam maya
Rujukan
- ^ Kutner, Marc Leslie (2003). Astronomy: a physical perspective (dalam bahasa Inggeris) (ed. 2nd). Cambridge, U.K.; New York: Cambridge University Press. m/s. 148. ISBN 978-0-521-82196-4.
- ^ Guidry, M. W. (2019). Modern general relativity: black holes, gravitational waves, and cosmology (dalam bahasa Inggeris). Cambridge; New York, NY: Cambridge University Press. m/s. 92. ISBN 978-1-107-19789-3.
- ^ Schwarzschild, Karl (1916). "Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften (dalam bahasa Jerman): 189. Bibcode:1916SPAW.......189S.
- ^ Schwarzschild, Karl (1916). "Über das Gravitationsfeld einer Kugel aus inkompressibler Flüssigkeit nach der Einsteinschen Theorie". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin (dalam bahasa Jerman): 424. Bibcode:1916skpa.conf..424S.
- ^ Wald, Robert (1984). General Relativity (dalam bahasa Inggeris). The University of Chicago Press. m/s. 152–153. ISBN 978-0-226-87033-5.
- ^ Schaffer, Simon (1979). "John Michell and Black Holes". Journal for the History of Astronomy (dalam bahasa Inggeris). 10: 42–43. Bibcode:1979JHA....10...42S. doi:10.1177/002182867901000104. S2CID 123958527. Dicapai pada 4 Jun 2018.
- ^ Montgomery, Colin; Orchiston, Wayne; Whittingham, Ian (2009). "Michell, Laplace and the origin of the black hole concept" (PDF). Journal of Astronomical History and Heritage (dalam bahasa Inggeris). 12 (2): 90. Bibcode:2009JAHH...12...90M. doi:10.3724/SP.J.1440-2807.2009.02.01. S2CID 55890996. Diarkibkan daripada yang asal (PDF) pada 2 Mei 2014.
- ^ a b Anderson, James L. (2001). "V.C The Schwarzschild Field, Event Horizons, and Black Holes". Dalam Meyer, Robert A. (penyunting). Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition) (dalam bahasa Inggeris). Cambridge, Massachusetts: Academic Press. ISBN 978-0-12-227410-7. Dicapai pada 23 Oktober 2023.
- ^ Event Horizon Telescope Collaboration (2019). "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole". Astrophysical Journal Letters (dalam bahasa Inggeris). 875 (1): L1. arXiv:1906.11238. Bibcode:2019ApJ...875L...1E. doi:10.3847/2041-8213/AB0EC7. 6.5(7)×109 M☉ = 1.29(14)×1040 kg.
- ^ Bender, Ralf; Kormendy, John; Bower, Gary; dll. (2005). "HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Rotation around a Supermassive Black Hole". Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 631 (1): 280–300. arXiv:astro-ph/0509839. Bibcode:2005ApJ...631..280B. doi:10.1086/432434. S2CID 53415285. 1.7(6)×108 M☉ = 0.34(12)×1039 kg.
- ^ a b Ghez, A. M.; dll. (Disember 2008). "Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits". Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 689 (2): 1044–1062. arXiv:0808.2870. Bibcode:2008ApJ...689.1044G. doi:10.1086/592738. S2CID 18335611.
- ^ Peterson, Bradley M.; Bentz, Misty C.; Desroches, Louis-Benoit; Filippenko, Alexei V.; Ho, Luis C.; Kaspi, Shai; Laor, Ari; Maoz, Dan; Moran, Edward C.; Pogge, Richard W.; Quillen, Alice C. (20 Oktober 2005). "Multiwavelength Monitoring of the Dwarf Seyfert 1 Galaxy NGC 4395. I. A Reverberation-Based Measurement of the Black Hole Mass". The Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 632 (2): 799–808. arXiv:astro-ph/0506665. Bibcode:2005ApJ...632..799P. doi:10.1086/444494. hdl:1811/48314. ISSN 0004-637X. S2CID 13886279.
- ^ "Hiding black hole found". phys.org (dalam bahasa Inggeris). 1 Mac 2019. Dicapai pada 15 Jun 2022.
- ^ Takekawa, Shunya; Oka, Tomoharu; Iwata, Yuhei; Tsujimoto, Shiho; Nomura, Mariko (2019). "Indication of Another Intermediate-mass Black Hole in the Galactic Center". The Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 871 (1): L1. arXiv:1812.10733. Bibcode:2019ApJ...871L...1T. doi:10.3847/2041-8213/aafb07.
- ^ Abbott, R.; Abbott, T. D.; Abraham, S.; Acernese, F.; Ackley, K.; Adams, C.; Adhikari, R. X.; Adya, V. B.; Affeldt, C.; Agathos, M.; Agatsuma, K. (2 September 2020). "Properties and Astrophysical Implications of the 150 M⊙ Binary Black Hole Merger GW190521". The Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 900 (1): L13. arXiv:2009.01190. Bibcode:2020ApJ...900L..13A. doi:10.3847/2041-8213/aba493. ISSN 2041-8213. S2CID 221447444.
- ^ Zee, Anthony (2013). Einstein Gravity in a Nutshell. In a Nutshell Series (dalam bahasa Inggeris) (ed. 1). Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-14558-7.
- ^ McConnell, Nicholas J. (8 Disember 2011). "Two ten-billion-solar-mass black holes at the centres of giant elliptical galaxies". Nature (dalam bahasa Inggeris). 480 (7376): 215–218. arXiv:1112.1078. Bibcode:2011Natur.480..215M. doi:10.1038/nature10636. PMID 22158244. S2CID 4408896.
- ^ Robert H. Sanders (2013). Revealing the Heart of the Galaxy: The Milky Way and its Black Hole (dalam bahasa Inggeris). Cambridge University Press. m/s. 36. ISBN 978-1-107-51274-0.
- ^ Pacucci, Fabio; Loeb, Abraham (1 Jun 2020). "Separating Accretion and Mergers in the Cosmic Growth of Black Holes with X-Ray and Gravitational-wave Observations". The Astrophysical Journal (dalam bahasa Inggeris). 895 (2): 95. arXiv:2004.07246. Bibcode:2020ApJ...895...95P. doi:10.3847/1538-4357/ab886e. S2CID 215786268.
- ^ "How does the mass of one mole of M&M's compare to the mass of Mount Everest?" (PDF) (dalam bahasa Inggeris). School of Science and Technology, Singapore. Mac 2003. Diarkibkan daripada yang asal (PDF) pada 10 Disember 2014. Dicapai pada 8 Disember 2014.
Jika Gunung Everest diandaikan* sebagai kon dengan ketinggian 8850 m dan jejari 5000 m, maka isipadunya boleh dikira menggunakan persamaan berikut:
isipadu = πr2h/3 [...] Gunung Everest terdiri daripada granit, yang mempunyai ketumpatan 2750 kg.m-3. - ^ Keeton, Charles (2014). Principles of astrophysics: using gravity and stellar physics to explore the cosmos. Undergraduate Lecture Notes in Physics (dalam bahasa Inggeris). New York: Springer. m/s. 208. ISBN 978-1-4614-9236-8.
