В заплетените камери на черните дупки се сблъскват две основни теории за нашия свят. Има ли наистина черни дупки? Изглежда, че да. Могат ли да бъдат решени основните проблеми, които възникват при по-внимателно проучване на черните дупки? Непознат. За да разберете с какво се занимават учените, ще трябва да се потопите малко в историята на изучаването на тези необичайни обекти. И ще започнем с факта, че от всички сили, които съществуват във физиката, има една, която изобщо не разбираме: гравитацията.
Гравитацията е пресечната точка на фундаменталната физика и астрономия, границата, на която се сблъскват две от най-фундаменталните теории, описващи нашия свят: квантова теория и теория на Айнщайн за пространство-време и гравитация, известна още като обща относителност.
Черни дупки и гравитация
Тези две теории изглежда са несъвместими. И това дори не е проблем. Те съществуват в различни светове, квантовата механика описва много малки, а общата относителност описва много големи.
Едва когато стигнете до изключително малки мащаби и изключителна гравитация, двете теории се сблъскват и някак една от тях се оказва грешна. Във всеки случай това следва от теорията.
Но има едно място във Вселената, където всъщност бихме могли да станем свидетели на този проблем и може би дори да го решим: ръба на черна дупка. Тук срещаме най-екстремната гравитация. Но има един проблем: никой никога не е "виждал" черна дупка.
Промоционално видео:
Какво е черна дупка?
Представете си, че цялата драма във физическия свят се развива в театъра на пространството-времето, но гравитацията е единствената сила, която всъщност променя театъра, в който се играе.
Силата на гравитацията контролира Вселената, но може дори да не е сила в традиционния смисъл. Айнщайн го описа като последица от деформацията на пространството и времето. И може би просто не се вписва в Стандартния модел на физика на частиците.
Когато в края на живота си много голяма звезда избухне, нейната най-вътрешна част се срива под собствената си гравитация, тъй като вече няма достатъчно гориво, за да поддържа налягане срещу гравитацията. В крайна сметка гравитацията все още е способна да упражнява сила, изглежда така.
Материята се срива и никаква сила в природата не може да остави този срив.
За безкрайно време една звезда се срива в безкрайно малка точка: сингулярност, или нека я наречем черна дупка. Но в краен срок, разбира се, звездното ядро ще се срути в нещо с ограничени размери и все пак ще има огромна маса в безкрайно малка област. И също ще се нарече черна дупка.
Черните дупки не изсмукват всичко наоколо
Забележително е, че идеята, че една черна дупка неизбежно ще засмуче всичко в себе си, е погрешна.
Всъщност, дали сте на орбита на звезда или черна дупка, образувана от звезда, няма значение, докато масата остава същата. Добрата старомодна центробежна сила и вашият ъглов момент ще ви предпазят и ще ви предпазят от падане.
Само когато включите ракетните си спирачки, за да прекъснете въртенето, което започнете да падате навътре.
Въпреки това, щом започнете да падате в черни дупки, постепенно ще ускорявате до все по-високи скорости, докато накрая достигнете скоростта на светлината.
Защо квантовата теория и общата относителност са несъвместими?
В момента всичко става на парчета, тъй като в съответствие с общата относителност нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината.
Светлината е субстрат, използван в квантовия свят за обмен на сили и транспортиране на информация до макрокосмоса. Светлината определя колко бързо можете да свържете причината и следствието. Ако се движите по-бързо от светлината, можете да видите събития и да промените нещата, преди да се случат. И това има две последствия:
- В момента, в който достигнете скоростта на светлината, падайки навътре, вие също трябва да излетите от тази точка с още по-висока скорост, което изглежда невъзможно. Следователно конвенционалната физическа мъдрост ще ви каже, че нищо не може да остави черна дупка, като наруши тази бариера, която ние също наричаме „хоризонтът на събитията“.
- От това също следва, че внезапно се нарушават основните принципи за запазване на квантовата информация.
Дали това е вярно и как можем да модифицираме теорията на гравитацията (или квантовата физика) са въпроси, на които много физици търсят отговори. И никой от нас не може да каже с кои аргументи ще приключим.
Съществуват ли черни дупки?
Очевидно цялото това вълнение би било оправдано само ако в тази вселена наистина съществуват черни дупки. Значи съществуват ли?
През изминалия век беше категорично доказано, че някои бинарни звезди с интензивни рентгенови лъчи всъщност са звезди, които са се сринали в черни дупки.
Освен това в центровете на галактиките често намираме доказателства за огромни концентрации на тъмна маса. Това биха могли да бъдат свръхмасивни версии на черни дупки, вероятно образувани от сливането на много звезди и газови облаци, които се потопиха в центъра на галактиката.
Доказателствата са силни, но косвени. Гравитационните вълни ни позволиха поне да „чуем“сливането на черни дупки, но подписът на хоризонта на събитията все още е неуловим и никога досега не сме „виждали“черни дупки - те са просто твърде малки, твърде отдалечени и в повечето случаи прекалено черни.
Как изглежда черна дупка?
Ако погледнете директно в черна дупка, ще видите най-мрачния мрак, който може да се представи.
Но непосредственото обкръжение на черната дупка може да бъде достатъчно ярко, тъй като газовете се спирали навътре - забавят се поради съпротивлението на магнитните полета, които носят.
Поради магнитното триене газът се нагрява до огромни температури от няколко десетки милиарда градуса и започва да излъчва ултравиолетови и рентгенови лъчи.
Свръх горещите електрони, взаимодействащи с магнитното поле в газа, започват да произвеждат интензивно радио излъчване. По този начин черните дупки могат да светят и могат да бъдат заобиколени от огънен пръстен, излъчващ се с различна дължина на вълната.
Огнен пръстен с черно-черен център
И все пак, точно в средата, хоризонтът на събитията хваща като хищна птица всеки фотон, който се приближи твърде много.
Тъй като пространството е извито от огромната маса на черната дупка, пътеките на светлината също се огъват и дори образуват почти концентрични кръгове около черната дупка, като серпентини около дълбока долина. Този пръстен със светлинен ефект е изчислен още през 1916 г. от известния математик Дейвид Хилберт само няколко месеца след като Алберт Айнщайн завършва теорията си за обща относителност.
След преминаване на черната дупка няколко пъти, някои от светлинните лъчи могат да избягат, докато други ще се окажат в хоризонта на събитията. По този сложен път на светлината можете буквално да надникнете в черна дупка. И „нищо“, което се появява на вашия поглед, ще бъде хоризонтът на събитията.
Ако направите снимка на черна дупка, ще видите черна сянка, заобиколена от светеща мъгла от светлина. Ние нарекохме тази функция черната дупка сянка.
Забележително е, че тази сянка изглежда по-голяма, отколкото може да се очаква, ако вземем диаметъра на хоризонта на събитията като негов произход. Причината е, че черната дупка действа като гигантска леща, усилвайки се.
Средата на сенките ще бъде представена от мъничък „фотонен пръстен“поради светлината, която се завърта около черната дупка почти завинаги. Освен това ще видите още пръстени от светлина, появяващи се в близост до хоризонта на събитията, но концентрирани около сянката на черната дупка поради ефекта на лещите.
Фантазия или реалност?
Може ли черната дупка да бъде истинско изобретение, което може да се моделира само на компютър? Или можете да го видите на практика? Отговор: възможно е.
Във Вселената има две сравнително близки супермасивни черни дупки, които са толкова големи и близки, че сенките им могат да бъдат заснети с помощта на съвременни технологии.
В центъра на нашия Млечен път има черни дупки на разстояние 26 000 светлинни години с маса 4 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето и черна дупка в гигантската елиптична галактика M87 (Messier 87) с маса 3-6 милиарда слънчеви лъчи.
M87 е хиляда пъти по-далеч, но хиляда пъти по-масивен и хиляда пъти по-голям, така че и двата обекта ще имат приблизително еднакъв диаметър на сянка, проектирана върху небето.
Вижте зърно горчица в Ню Йорк от Европа
По стечение на обстоятелствата прости теории за радиация прогнозират, че и за двата обекта радиацията, генерирана в близост до хоризонта на събитията, ще се излъчва при радиочестоти от 230 Hz и по-високи.
Повечето от нас срещат тези честоти само когато трябва да преминем през скенер в модерно летище. Черните дупки постоянно плуват в тях.
Това излъчване има много къса дължина на вълната - от порядъка на милиметър - която лесно се абсорбира от водата. За да може телескопът да наблюдава космически милиметрови вълни, той трябва да бъде поставен високо върху суха планина, за да се избегне поглъщането на радиация в земната тропосфера.
По принцип се нуждаем от милиметров телескоп, който от някъде в Холандия може да види предмет с размерите на синапено семе в Ню Йорк. Този телескоп ще бъде хиляда пъти по-остър от космическия телескоп Хъбъл, а при милиметрови дължини на вълната размерът на такъв телескоп ще бъде Атлантическият океан или по-голям.
Виртуален телескоп с размерите на Земята
За щастие не е необходимо да покриваме Земята с едно радиоактивно чистене, защото можем да изградим виртуален телескоп със същата резолюция, комбинирайки данни от телескопи в различни планини около Земята.
Тази техника се нарича синтез на апертура и много дълга основна интерферометрия (VLBI). Идеята е доста стара и доказана в продължение на няколко десетилетия, но едва сега стана възможно прилагането й на високи радиочестоти.
Първите успешни експерименти показаха, че структурите на хоризонта на събитията могат да бъдат изследвани при такива честоти. Сега има всичко необходимо за провеждане на такъв експеримент в голям мащаб.
Работата вече е в ход
Проектът BlackHoleCam е европейски проект за крайното изображение, измерване и разбиране на астрофизичните черни дупки. Европейският проект е част от глобално сътрудничество - консорциумът за телескоп Event Horizon, в който участват над 200 учени от Европа, Америка, Азия и Африка. Заедно искат да направят първата снимка на черна дупка.
През април 2017 г. те наблюдават галактическия център и M87 с осем телескопа на шест различни планини в Испания, Аризона, Хаваи, Мексико, Чили и Южния полюс.
Всички телескопи бяха оборудвани с точни атомни часовници за точно синхронизиране на техните данни. Учените записаха няколко петабайта сурови данни, благодарение на изненадващо добрите метеорологични условия по света по това време.
Снимка на черна дупка
Ако учените успеят да видят хоризонта на събитията, те ще знаят, че проблемите, които възникват в пресечната точка на квантовата теория и общата относителност, не са абстрактни, а много реални. Може би тогава те могат да бъдат разрешени.
Това може да стане чрез получаване на по-ясни изображения на сенките на черни дупки или чрез проследяване на звезди и пулсари по пътя им около черни дупки, като се използват всички налични методи за изучаване на тези обекти.
Може би именно черните дупки ще станат нашите екзотични лаборатории в бъдеще.
Иля Кел