При анализе движения частиц, входящих в черную дыру, опубликованном в марте Никодимом Поплавским из Университета Индианы в Блумингтоне, было продемонстрировано, что внутри каждой черной дыры может существовать другая вселенная. "Может быть, огромные черные дыры в центре Млечного пути и других галактик являются "мостами" между различными вселенными", говорит Поплавский. Если это верно, и это большое "если", ничто не исключает того, что наша вселенная также находится внутри черной дыры.
В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), внутренности черных дыр представляют собой регионы, где плотность вещества достигает бесконечности. Будь сингулярность фактической точкой бесконечной плотности или просто математической неоднозначностью ОТО, уравнения Эйнштейна "рушатся" внутри черной дыры. В любом случае, модифицированная версия уравнений Эйнштейна, используемая Поплавским, устраняет сингулярность в целом.
Для своего анализа, Поплавский обратился к варианту уравнений Эйнштейна Картана-Кибл-Сциама (ККС) теории гравитации. В отличие от уравнений Эйнштейна, ККС теории гравитации учитывает спин, или же момент импульса элементарных частиц. Благодаря учитыванию спина, становится возможным вычислить геометрию пространства-времени черной дыры.
Когда плотность вещества достигает гигантских размеров (больше, чем 1050 килограмм на кубический метр) внутри черной дыры, кручение проявляется как сила, эквивалентная притяжению. Это предотвращает вопросы о неопределенном времени сжатия для достижения бесконечной плотности. Вместо этого, говорит Поплавский, материя реорганизовывается и начинается расширяться снова.
Поплавский применил эти идеи к модели поведения пространства-времени внутри черной дыры. Сценарий напоминает то, что происходит, когда вы сжимаете пружину: Поплавский подсчитал, что первоначально сила тяжести преодолевает силы отталкивания и кручения и сохраняет сжатие материи, но в конечном итоге сила отталкивания становится настолько сильной, что материя перестает сжиматься и реорганизуется. Расчеты Поплавского показывают, что пространство-время внутри черной дыры, расширяется примерно до 1,4 раз по сравнению с наименьшим размером всего за 10-46 секунд.
Этот поразительно быстрый отскок назад, говорит Поплавский, мог бы быть тем, что привело к расширяющейся Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.
Как же мы узнаем, что живем внутри черной дыры? Ну, вращающаяся черная дыра дала бы некоторый спин в пространстве-времени внутри нее, и это должно было бы отобразиться как "предпочтительное направление" в нашей Вселенной, говорит Поплавский. Такое предпочтительное направление приведет к нарушению свойства пространства-времени, называемого симметрией Лоренца, которое связывает пространство и время. Было высказано мнение, что такие нарушения могут быть вызваны наблюдаемыми колебаниями нейтрино из одного типа в другой.
К сожалению, для нас нет никакого смысла искать другие миры внутри черных дыр. По мере приближения к черной дыре, увеличение гравитационного поля делает время все медленнее и медленнее. Таким образом, для внешнего наблюдателя, любая новая вселенная внутри появится только после того, как пройдет бесконечное количество времени.
Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.
Из истории чёрных дыр
1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.
1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.
(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")
1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".
1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".
2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.
(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )
2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.
Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.
2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.
(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )
Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.
Чем на самом деле являются чёрные дыры
Лаконичное объяснение феномена звучит так.
Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.
Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.
- 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости
- 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру
- 3. Чёрная дыра
- 4. Детальная схема региона чёрной дыры
- 5. Размер найденных новых наблюдений
Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.
Радиус Шварцшильда
Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.
- 1. Движущаяся материя в половину скорости света
- 2. Фотонное кольцо
- 3. Внутреннее фотонное кольцо
- 4. Горизонт событий в чёрной дыре
Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.
Как происходит падение в чёрную дыру
(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)
Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.
По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.
- 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.
- 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.
- 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.
- 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.
- 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.
Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако
(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)
Что там внутри чёрной дыры
Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.
Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.
И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.
Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.
Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.
Знаю, что здесь это якобы не приветствуется, но делаю кросс-пост отсюда по прямой просьбе автора - Горькавого Николая Николаевича. Есть некоторый шанс, что их идея перевернёт современную науку. И лучше прочитать о ней в оригинале, чем в пересказе рен-тв или ленты.ру.
Для тех, кто не следил за темой. Рассмотрим две вращающихся друг вокруг друга чёрных дыры, допустим, массами 15 и 20 единиц (масс Солнца). Рано или поздно они сольются в одну черную дыру, но её масса будет не 35 единиц, а, скажем, всего 30. Остальные 5 улетят в виде гравитационных волн. Именно эту энергию улавливает гравитационный телескоп LIGO.
Суть идеи Горькавого и Василькова в следующем. Допустим, вы наблюдатель, сидите в своём кресле и чувствуете притяжение 35 единиц массы делить на квадрат расстояния. И тут бац - буквально за секунду их масса уменьшается до 30 единиц. Для вас, в силу принципа относительности, это будет неотличимо от ситуации, когда вас отбросило в обратном направлении с силой в 5 единиц, делить на квадрат расстояния. То есть, неотличимо от антигравитации.
UPD : т.к. не все поняли предыдущий абзац, рассмотрим мысленный эксперимент по аналогии, предложенной в . Итак, вы - наблюдатель, сидите в танке, который вращается по очень высокой круговой орбите вокруг центра масс этой пары ЧД. Как говаривал ещё дедушка Эйнштейн, не выглядывая из танка, вы никак не можете отличить движение по орбите от просто висения на месте где-то в межгалактическом пространстве. Теперь, предположим, произошло слияние ЧД, и часть их массы улетела. В связи с этим вы должны будете перейти на более высокую орбиту вокруг всё того же центра масс, но уже объединённой ЧД. И вот этот переход на другую орбиту вы у себя в танке ощутите (спасибо ofmetal) внешние наблюдатели на бесконечности расценят как пинок, толкнувший вас в направлении от центра масс. /UPD
Дальше там идёт куча расчётов с жуткими ОТОшными тензорами. Эти расчёты после тщательнейшей проверки опубликованы в двух статьях в MNRAS - одном из самых авторитетных журналов по астрофизике в мире. Ссылки на статьи: , (препринт с авторским введением).
А выводы там такие: никакого Большого Взрыва не было, зато была (и есть) Большая Чёрная Дыра. Которая нас всех зохавает.
После выхода двух основных статей с математическими решениями, на повестку дня вышла задача написания более популярной и широкой статьи, а также пропаганда возрождённой космической космологии. И тут оказалось, что удивительным образом на вторую статью успели отреагировать европейцы, которые уже пригласили меня сделать в июне пленарный доклад на 25 минут об ускорении Вселенной с переменной массой. Вижу в этом хороший признак: специалисты устали от «космологической темноты» и ищут альтернативу.
Также журналист Руслан Сафин прислал вопросы в связи с выходом второй статьи. Несколько сокращенная версия ответов была опубликована сегодня в «Южноуральской панораме» под таким заголовком от редакции «Внутри черной дыры. Астроном Николай Горькавый нашел центр Вселенной».
Во-первых, истины ради должен отметить, что именно Александр Васильков стал активно задаваться «наивным» вопросом: Есть ли у Вселенной центр? - чем и инициировал всю нашу дальнейшую космологическую работу. Так что мы искали и нашли этот центр вместе. Во-вторых, газета запросила наше совместное фото, но не дождалась, так что привожу его здесь вместе с полным текстом прочитанного Сашей и дополненного по его замечаниям интервью. Вот и мы: Александр Павлович Васильков слева, а я справа:
1. После выхода вашей первой с Васильковым статьи вы предположили, что наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной связано с преобладанием сил отталкивания над силами притяжения на больших расстояниях. В новой статье вы приходите к другому выводу - об относительном ускоренном расширении: нам кажется, что что-то ускоряется, потому что сами мы замедляемся. Что привело вас к этой мысли?
В статье 2016 года, вышедшей в журнале Королевского астрономического общества, мы с Александром Васильковым показали, что если гравитационная масса объекта меняется, то кроме обычного ньютоновского ускорения, вокруг него возникает дополнительная сила. Она падает обратно пропорционально расстоянию от объекта, то есть медленнее, чем ньютоновская сила, зависящая от квадрата расстояния. Поэтому новая сила должна доминировать на больших дистанциях. При уменьшении массы объекта, новая сила давала отталкивание или антигравитацию, при увеличении - возникало дополнительное притяжение, гипергравитация. Это был строгий математический результат, который модифицировал известное решение Шварцшильда и получался в рамках теории гравитации Эйнштейна. Вывод применим для массы любого размера и сделан для неподвижного наблюдателя.
Но при обсуждении этих результатов, мы словесно высказали дополнительные гипотезы – скорее надежды, что найденная антигравитация отвечает как за разлет Вселенной, так и за ускорение её расширения в глазах сопутствующих наблюдателей, то есть нас с вами. Во время работы над второй статьей, которая вышла в феврале этого года в том же журнале, и была уже непосредственно посвящена космологии, мы обнаружили, что реальность сложнее наших надежд. Да, найденная антигравитация отвечает за Большой Взрыв и очевидное расширение Вселенной – тут мы были правы в своих предположениях. Но едва заметное ускорение космологического расширения, обнаруженное наблюдателями в 1998 году, оказалось связанным не с антигравитацией, а с гипергравитацией из нашей работы 2016 года. Полученное строгое математическое решение однозначно указывает, что это ускорение будет иметь наблюдаемый знак только тогда, когда какая-то часть массы Вселенной растет, а не уменьшается. В своих качественных рассуждениях мы не учли, что динамика космологического расширения выглядит очень различно с точки зрения неподвижного наблюдателя и для сопутствующих наблюдателей, сидящих в разлетающихся галактиках.
Математика, которая умнее нас, приводит к следующей картине эволюции Вселенной: из-за слияния черных дыр и перехода их массы в гравитационные волны, масса коллапсирующей Вселенной прошлого цикла резко уменьшилась – и возникла сильная антигравитация, вызвавшая Большой Взрыв, то есть современное расширение Вселенной. Эта антигравитация потом уменьшилась и сменилась гипергравитацией из-за роста огромной черной дыры, возникшей в центре Вселенной. Она увеличивается из-за поглощения фоновых гравитационных волн, которые играют важную роль в динамике космоса. Именно этот рост Большой Черной Дыры вызвал растяжение наблюдаемой вокруг нас части Вселенной. Этот эффект был интерпретирован наблюдателями как ускорение расширения, но, на самом деле, это неравномерное торможение разлёта. Ведь если в колонне автомобилей задняя машина отстает от передней, то это может означать как ускорение первой машины, так и торможение задней. С математической точки зрения, влияние растущей Большой Черной Дыры вызывает появление в уравнениях Фридмана так называемой «космологической постоянной», отвечающей за наблюдаемое ускорение разбегания галактик. Расчеты квантовых теоретиков расходились с наблюдениями на 120 порядков, мы же вычислили её в рамках классической теории гравитации – и она хорошо совпала с данными спутника «Планк». А вывод, что масса Вселенной сейчас растет, дает прекрасную возможность построить циклическую модель Вселенной, о которой мечтали несколько поколений космологов, но она никак не давалась в руки. Вселенная – это огромный маятник, в котором черные дыры превращаются в гравитационные волны, а потом идёт обратный процесс. Здесь ключевую роль играет эйнштейновский вывод, что гравитационные волны не имеют гравитационной массы, что позволяет Вселенной менять свою массу и избегать необратимого коллапса.
2. Как появилась растущая Большая Черная Дыра, которая ответственна за относительное ускоренное расширение Вселенной?
Природа тёмная материи, которая, например, вызывала ускоренное вращение галактик, почти век была загадкой. Последние результаты обсерватории ЛИГО, которая поймала несколько гравитационных волн от сливающихся массивных черных дыр, приоткрыли завесу тайны. Ряд исследователей выдвинули модель, по которой темная материя состоит из черных дыр, при этом многие считают, что они попали к нам из прошлого цикла Вселенной. Действительно, черная дыра – единственный макроскопический объект, который невозможно уничтожить даже сжатием Вселенной. Если черные дыры составляют основную часть барионной массы космоса, то при сжатии Вселенной до размера в несколько световых лет, эти черные дыры будут активно сливаться друг с другом, сбрасывая значительную долю своей массы в гравитационные волны. В результате, общая масса Вселенной резко упадет, а на месте слияния облака мелких дыр останется огромная черная дыра размером порядка светового года и с массой в триллионы масс Солнца. Она - непременный результат коллапса Вселенной и слияния черных дыр, а после Большого Взрыва она начинает расти, поглощая гравитационное излучение и любую материю вокруг. Что такая супердыра возникнет на стадии коллапса Вселенной, понимали многие авторы, включая Пенроуза, но никто не знал, насколько важную роль в динамике последующего расширения Вселенной играет эта Большая Черная Дыра.
3. Как далеко от нас и где именно (в какой части неба) она находится? Каковы ее параметры?
Мы полагаем, что на расстоянии порядка пятидесяти миллиардов световых лет. Целая серия независимых исследований говорит об анизотропии различных космологических явлений – и многие из них указывают на область неба возле тусклого созвездия Секстант. В космологии даже появился термин «дьявольская ось». По современной величине ускоренного расширения Вселенной, можно оценить размер Большой Черной Дыры в миллиард световых лет, что дает её массу в 6*10^54 грамм или в миллиарды триллионов солнечных масс – то есть, она выросла в миллиард раз с момента своего возникновения! Но и эту информацию о массе Большой Черной Дыры мы получили с запаздыванием на миллиарды лет. В реальности Большая Черная Дыра уже значительно больше, но насколько - сказать трудно, нужны дополнительные исследования.
4. Можно ли с такого расстояния, на котором располагается эта БЧД, с помощью существующих инструментов увидеть если не ее саму, то хотя бы косвенные признаки, указывающие на ее присутствие в данной части Вселенной? При каких условиях она станет доступна для непосредственного изучения?
Изучив ускорение расширения Вселенной, и как оно зависит от времени, мы определим эволюцию параметров Большой Черной Дыры. Анизотропия космологических эффектов проявляется в распределении по небу флуктуаций реликтового излучения, в ориентации осей галактик и ряде других феноменов. Это тоже способы изучения Большой Черной Дыры на расстоянии. Непосредственно мы её тоже изучим, но попозже.
5. Что бы мы увидели, если бы могли слетать к этой БЧД? Можно ли в нее нырнуть без риска для жизни? Что мы найдем под ее поверхностью?
Насчет внутреннего пространства чёрных дыр даже в учебниках приводится масса противоречивой информации. Многие думают, что на границе черных дыр всех нас непременно разорвет приливными силами на мелкие ленточки – возникло даже словечко «спагеттифицирование». На самом деле, приливные силы на краю очень большой черной дыры совершенно незаметны, а согласно строгим решениям эйнштейновских уравнений, для падающего наблюдателя процесс пересечения границы черной дыры ничем не примечателен. Я полагаю, что под поверхностью Большой Чёрной Дыры мы увидим практически такую же Вселенную – те галактики, которые нырнули в неё пораньше. Главным различием будет смена разбегания галактик на их сближение: все исследователи согласны с тем, что внутри черной дыры всё падает к центру.
6. Если эта черная дыра растет, то однажды она засосет в себя всю остальную материю. Что случится тогда?
Граница Большой Черной Дыры уйдет на границу наблюдаемой Вселенной, и её судьба перестанет нас волновать. А Вселенная внутри дыры вступит во вторую фазу своего цикла – когда расширение сменяется сжатием. В этом нет ничего трагического, потому что на сжатие уйдет примерно те же многие миллиарды лет, которые потребовались для расширения. Разумные существа данного цикла Вселенной почувствуют проблемы через десятки миллиардов лет, когда температура реликтового излучения вырастет настолько, что планеты будут перегреваться из-за тёплого ночного неба. Может, для каких-то инопланетян, у кого солнце будет гаснуть, это станет, наоборот, спасением, пусть и временным - на сотню миллионов лет. Когда нынешняя Вселенная сожмётся до размера в несколько световых лет, то она снова сбросит свою массу, что вызовет Большой Взрыв. Начнется новый цикл расширения, а в центре Вселенной появится свеженькая Большая Черная Дыра.
7. Когда это событие (сваливание Вселенной в БЧД), по-вашему, должно произойти? Является ли этот временной интервал неизменным для всех циклов расширения/сжатия или может меняться?
Думаю, что космологические циклы с хорошей точностью следуют определенному периоду, связанному с общей массой и энергией Вселенной. Трудно сказать, на какой точно стадии своего цикла мы находимся – для этого нужно строить конкретные космологические модели с заданным количеством барионов, черных дыр, гравитационных волн и других видов излучения. Когда нас настигнет граница растущей Большой Черной Дыры? Расчеты показывают, что она непременно выйдет на сверхсветовой режим расширения – это не нарушает теорию относительности, потому что граница черной дыры не является материальным объектом. Но эта сверхсветовая скорость означает, что наша встреча с этой границей Большой Черной Дыры может произойти в любой момент – мы не сможем засечь её приближение по каким-то наблюдениям, которые ограничены скоростью света. Во избежание паники повторяю: ничего трагического в этом я не вижу, но космологи начнут замечать, как красное смещение далёких галактик будет сменяться на синее. Но для этого свет от них должен успеть к нам дойти.
8. Какие наблюдательные и теоретические данные говорят в пользу предложенной вами космологической модели или, может, делают ее даже обязательной?
Классические уравнения Фридмана основаны на принципе изотропности и однородности. Таким образом, обычная космология в принципе не могла рассматривать эффекты анизотропии, о которых говорят многие наблюдатели. Модифицированные уравнения Фридмана, полученные в нашей с Васильковым статье 2018 года, включают в себя анизотропные эффекты – ведь Большая Черная Дыра расположена в определенном направлении. Тем самым открываются возможности для изучения этих эффектов, что даст подтверждение и самой теории. Мы не строили новую космологию, мы просто вставляем недостающие динамические пружины в хорошо разработанную классическую космологию, которая возникла в середине 20 века, начиная с работ Гамова и его группы. Мы возрождаем эту классическую космологию, делая её частью обычной физики. Сейчас она не содержит никаких предположений о квантовой гравитации, о лишних пространственных измерениях и о темных сущностях вроде «инфляции», «вакуумных фазовых переходов», «темной энергии» и «темной материи». Она работает только в рамках классической и хорошо проверенной теории гравитации Эйнштейна, используя только известные компоненты космоса вроде черных дыр и гравитационных волн. Так как она хорошо объясняет наблюдаемые явления, то это делает её совершенно обязательной – согласно принципам науки. Космологических моделей много, а реальность одна. Возрожденная классическая космология поразительно элегантна и проста, поэтому я полагаю, что мы узнали истинный способ существования Вселенной.
С. ТРАНКОВСКИЙ
Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.
Образование черной дыры может происходить тремя путями.
Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.
Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.
Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.
В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.
Рождение пары частица-античастица в лаборатории.
КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ
Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.
В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.
Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#
где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.
Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:
Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.
Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.
Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.
Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .
Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).
Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".
И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС
Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.
Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.
Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.
Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.
РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.
По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.
Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?
Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).
КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.
1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.
3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).
И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.
Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Физики предполагают, что наша Вселенная существует внутри чёрной дыры November 21st, 2014
Как то мы с вами обсуждали . А теперь вот оказывается появилась теория, согласно которой утверждается, что наша Вселенная существует внутри чёрной дыры
Эта странная теория, над которой физики работают уже ни одно десятилетие, может пролить свет на многие вопросы, на которые не в состоянии ответить знаменитая теория Большого взрыва.
Согласно теории Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться, она пребывала в сингулярном состоянии-то есть в бесконечно малой точке пространства содержалась бесконечно высокая концентрация материи. Эта теория позволяет объяснить, например, почему невероятно плотная материя ранней Вселенной начала расширяться в пространстве с огромной скоростью и образовала небесные тела, галактики и скопления галактик.
Но в то же время, она оставляет без ответа и большое количество важных вопросов. Что спровоцировало сам Большой взрыв?
Каков источник таинственной тёмной материи?
Теория о том, что наша Вселенная находится внутри чёрной дыры, может дать ответы на эти и многие другие вопросы. И к тому же в ней объединены принципы двух центральных теорий современной физики: общей теории относительности и квантовой механики.
Общая теория относительности описывает Вселенную в самых крупных масштабах и объясняет, как гравитационные поля таких массивных объектов, как Солнце, искривляют время-пространство. А квантовая механика описывает Вселенную в самых мелких масштабах - на уровне атома. Она, например, учитывает такую важную характеристику частиц, как спин (вращение).
Идея состоит в том, что спин частицы взаимодействует с космическим временем и передаёт ему свойство, называемое «торсион». Чтобы понять, что такое торсион, представьте космическое время в виде гибкого прута. Сгибание прута будет символизировать искривление космического времени, а скручивание - торсион пространства-времени.
Если прут очень тонкий, вы можете его согнуть, но разглядеть, скручен он или нет, будет очень сложно. Торсион пространства-времени может быть заметен только в экстремальных условиях - на ранних стадиях существования Вселенной, либо в чёрных дырах, где он будет проявляться как сила отталкивания, противоположная гравитационной силе притяжения, исходящей от кривизны пространства-времени.
Как следует из общей теории относительности, очень массивные объекты заканчивают своё существование, сваливаясь в чёрные дыры - области космоса, от которых не может ускользнуть ничего, даже свет.
В самом начале существования Вселенной гравитационное притяжение, вызванное искривлением пространства, будет превосходить силу отталкивания торсиона, благодаря чему материя будет сжиматься. Но затем торсион станет сильнее и начнёт препятствовать сжатию материи до бесконечной плотности. А поскольку энергия обладает способностью превращаться в массу, то чрезвычайно высокий уровень гравитационной энергии в этом состоянии приведёт к интенсивному образованию частиц, отчего масса внутри чёрной дыры будет нарастать.
Таким образом, механизм скручивания предполагает развитие поразительного сценария: каждая чёрная дыра должна порождать внутри себя новую Вселенную.
Если эта теория верна, то материя, из которой состоит наша Вселенная, тоже привнесена откуда-то извне. Тогда наша
Вселенная тоже должна быть образована внутри чёрной дыры, существующей в другой Вселенной, которая приходится нам «родительской».
Движение материи при этом всегда происходит только в одном направлении, чем обеспечивается направление времени, которое мы воспринимаем как движение вперёд. Стрелка времени в нашей Вселенной, таким образом, тоже унаследована из «родительской» Вселенной.
Вот тут мы с вами рассуждали о , а тут рассматривали и узнавали про Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия -
