Kas mustade aukude olemasolu on tõestatud? Ameerika teadlane tõestab, et musti auke pole olemas

Kas sa näed musta auku?
- Mitte.
- Ja ta ei ole.

Midagi taolist dialoogi võiks toimuda astronoomi ja Põhja-Carolina ülikooli füüsikaprofessori Laura Marcini-Houghtoni vahel, kes tegid sensatsioonilise avalduse. Naine matemaatiliselt tõestatud et selliseid astrofüüsikalisi objekte nagu mustad augud lihtsalt ei saa looduses eksisteerida.

Konks on selles, et keegi ei suuda praegu vastupidist tõestada.

Mustad augud – termin, mille pool sajandit tagasi populariseeris Ameerika teoreetik – on ülimassiivsed relativistlikud objektid, mille olemasolu on aluseks paljudele astrofüüsikalistele teooriatele, mis kirjeldavad galaktikate, tähtede ja kvasarite evolutsiooni. Ja kuigi tänapäeval pole enamiku astronoomide seas nende olemasolu kahtluse all, peetakse neid objekte formaalselt hüpoteetilisteks.

Kuna need objektid ei kiirga oma valgust ega peegelda võõrast valgust, saab nende olemasolu kindlaks teha vaid kaudsete meetoditega. Niisiis on teadlased nende olemasolus veendunud tähtede kiire pöörlemise tõttu galaktikate keskpunktide lähedal ja valguskiirte kõrvalekaldumisega (läätsede tekitamine), mida täheldatakse nende tugevalt graviteerivate objektide läheduses.

Astronoomid on teadlikud kahte tüüpi mustadest aukudest – tähemassiga mustadest aukudest ja ülimassiivsetest mustadest aukudest, mille mass ulatub miljarditesse Päikese massidesse.

Vaieldakse vahepealse massiga mustade aukude olemasolu üle. Arvatakse, et esimene tüüp tekib massiivsete tähtede kokkuvarisemise ajal, kui paisunud täht heidab oma välimised kihid maha ja variseb enda gravitatsiooni mõjul sissepoole. Ülimassiivsete mustade aukude päritolu tekitab astronoomides vaidlusi: kas need tekkisid Universumiga samaaegselt tumeaine klombides või suurte gaasipilvede kokkuvarisemise käigus.

Sama juhtub ka siis, kui Maa surutakse kokku pähkli suuruseks: selle tihedus suureneb nii palju

et ükski keha ei suuda isegi valguskiirusel liikudes oma pinnalt lahti murda.

Musta augu peamine omadus on selle sündmuste horisondi suurus – kujuteldav pind, millest kaugemale ei pääse ei keha ega informatsioon. Mustade aukude ilu seisneb selles, et need vastandavad teineteisele kaht fundamentaalset füüsikalist teooriat – Einsteini gravitatsiooniteooriat, millest järeldub nende olemasolu võimalikkus, ja kvantteooria, mis postuleerib, et Universumis ei saa ükski informatsioon kuhugi kaduda.

1974. aastal ennustas tunnustatud Briti teadlane Stephen, et mustad augud peaksid aurustuma. Kvantteooria ütleb, et osakeste-osakeste paarid sünnivad pidevalt füüsilises vaakumis. Samas võimaldab selliste paaride sünd sündmuste horisondi lähedal võimaluse, et üks osake kukub musta auku, teine ​​aga mitte. Seega võivad väljapääsenud osakesed nn Hawkingi kiirguse tõttu palju auke ära kanda.

On tähelepanuväärne, et Hawking esitas oma teooria vahetult pärast seda, kui ta 1973. aastal Moskvas kohtus Nõukogude füüsikute Jakov Zeldovitši ja Aleksei Starobinskiga.

Nad veensid Hawkingit, et pöörlev must auk võib kiirata elektromagnetlaineid ja osakesi.

Marcini-Houghton kirjeldas matemaatiliselt massiivsete tähtede kokkuvarisemise protsessi ja jõudis paradoksini. Tema arvutused näitasid, et tähe kokkuvarisemisel tekib Hawkingi kiirgus, mille tõttu täht kaotab kiiresti oma massi.

Ja nii kiiresti, et sisemiste piirkondade tihedus lakkab kasvamast ja musta augu teke peatub.

"Ma ise ei saa šokist taastuda. Oleme seda probleemi uurinud üle 50 aasta ja see otsus annab meile palju mõtlemisainet,” rääkis teadlane.

Mis tegelikult massiivsete tähtede asemele jääb, saab paljastada edasiste vaatluste abil. Lähiajaloos on juba täheldatud massiivsete tähtede plahvatusi, nii et 1987. aastal jälgisid astronoomid eredaimat supernoova SN 1987A. Siiski pole veel avastatud ei musta auku ega selle asemelt neutrontähte.

Akadeemik on sel teemal varem oma arvamust avaldanud.

"Ma eeldan, et järgmisel kümnendil antakse Nobeli preemia mustade aukude avastamise eest. Me jõuame sellele järjest lähemale. Esiteks on need mustad augud juba nagu lõikamata koerad. Tähtede mustade aukude jaoks - 23 tükki (Nüüd on neid kümneid.), — neile mõõdetakse massid, on antud suuruste piirangud. Ja galaktikate tuumades on juba palju tuhandeid ülimassiivseid musti auke,” ütles teadlane.

Mustad augud on ruumis paiknevad tiheda aine alad, millel on nii tugev külgetõmme, et ükski musta augu gravitatsioonivälja sattunud objekt ei saa sealt lahkuda. Mustad augud tõmbavad ligi isegi mööduvat valgust. Seda, mida teadus mustade aukude olemasolust arvab, arutatakse meie artiklis.

Mustad augud on ruumis paiknevad tiheda aine alad, millel on nii tugev külgetõmme, et ükski musta augu gravitatsioonivälja sattunud objekt ei saa sealt lahkuda. Mustad augud tõmbavad ligi isegi mööduvat valgust. Seda, mida teadus mustade aukude olemasolust arvab, arutatakse meie artiklis.

Mustade aukude piire nimetatakse "sündmuste horisondiks" ja selle suurust "gravitatsiooniraadiuseks".

Mustad augud, nagu paljud teisedki füüsikalised nähtused, avastati esmakordselt alles teoreetiliselt. Nende olemasolu võimalikkus tuleneb mõnest Einsteini võrrandist, need ühtlustuvad gravitatsiooniteooriaga (kuid pole teada, kui tõene see on), mis jällegi teoreetiliselt kinnitab nende olemasolu.

Meie ajal kinnitab mustade aukude tekkimise võimalust eksperimentaalselt kontrollitud üldrelatiivsusteooria (GR). Regulaarselt ilmub uusi andmeid, mida analüüsitakse ja tõlgendatakse ülaltoodud teooria raames, mis kinnitab mõnede astronoomiliste objektide olemasolu, mis osaliselt langevad kokku mustade aukude tunnustega massiga 105-1010 päikesemassi. Seetõttu on võimatu valmistuda mustade aukude 100% olemasoluks.

Praeguseks on mustade aukude loomiseks 2 realistlikku ja 2 hüpoteetilist võimalust: massiivse tähe või galaktika osa keskpunkti katastroofiliselt kiire kokkusurumine; ja vastavalt ka mustade aukude tekkimine Suure Paugu tagajärjel ja tuumareaktsioonides kõrgete energiate ilmnemine.

On objekte, mida nimetatakse mustadeks aukudeks lihtsalt nende omaduste sarnasuse tõttu mustade aukudega, näiteks tähed, mis on gravitatsioonilise kollapsi viimases staadiumis. Kaasaegne astrofüüsika ei omista sellele erinevusele erilist tähtsust, kuna “peaaegu kokkuvarisenud” tähe ja teoreetiliselt “päris” musta augu vaadeldud ilmingud on peaaegu identsed.

Mustad augud ei ole igavesed. Esmapilgul tundub, et need objektid tõmbavad ainult kõike enda ümber, kuid gravitatsiooni kvantteooria järgi peab neelav must auk pidevalt kiirgama, kaotades oma energia. Mida rohkem "energiamassi" kaob, seda suurem on temperatuur ja kiirguse kiirus, mis lõpuks viib plahvatuseni. Jääb alles, et kas siis mustast august või mitte, pole teada, aga vastuse sellele küsimusele annab gravitatsiooni kvantteooria, mille kallal nad järgmise paarikümne aasta jooksul kõvasti tööd teevad.

Kolm teooriat mustade aukude olemasolu kohta

Mustade aukude olemasolu kohta on kolm huvitavat teooriat:

Universumis on piiratud arv musti auke, neid on igas galaktikas, seetõttu võivad need olla ruumis liikumise viis, omamoodi teleport - sa läksid sellesse musta auku, jätsid teise. Lisaks saate "reguleerida" mitte ainult kohta, kuhu jõuate, vaid ka aega.

Hugh Everetti paljude maailmade teooria kohaselt on universumite arv lõpmatu. Tänu sellele tekkis hüpotees, et mustad augud on läbipääs teise universumisse. Füüsikalised seadused kõigis universumites võivad erineda, kuid ainult läbipääsupunktid – mustad augud – on kõigutamatud, kuigi mitte igavesed.

Mustad augud neelavad gravitatsiooniväljas kõike. Kui inimene kukub musta auku - sisemine vaatleja ja keegi jälgib teda - välisvaatleja, siis teoreetiliselt võib juhtuda järgmine olukord: musta auku kukkuv inimene näeb, kuidas aeg tema jaoks aeglustub ja igavikuks peatub. , ja " ümbritsev aeg, inglise matemaatiku ja teoreetilise füüsiku Penrose'i teooria järgi, universumi arenguaeg pikeneb sellise kiirusega, et tema kui sisevaatleja suudab näha meie ruumi kokkuvarisemist ja kõik olemasolevad reaalsused ja kõik objektid, mis kunagi musta auku sattusid. Välise vaatleja seisukohalt lendab sisemine musta augu juurde ja peatub, justkui ootaks midagi. Universum ei võimalda teooria kohaselt sisemiste ja väliste vaatlejate samaaegset olemasolu. Minuti pärast musta auku hüppava inimese subjektiivset aega, kuid välisvaatleja seisukohalt miljardeid aastaid hiljem näeb kukkuja üllatusega, kuidas tema väga vanad “välised” sõbrad hakkavad kukkuma. tema auku ja tema “natiivne” must auk hakkab sulanduma kõigi teiste mustade aukudega... Järelikult muutuvad kõik välised vaatlejad korraga sisemiseks ja nüüd lendavad nad kõik koos Universumi kollapsi poole.

Arvestades ülaltoodud fakte mustade aukude olemasolu kohta, on neid, kes need ümber lükkavad. Põhja-Carolinast pärit füüsikaprofessor Laura Marcini-Houghton väidab, et musti auke lihtsalt ei saa eksisteerida. Ta väidab, et nende olemasolu kohta puuduvad otsesed tõendid ja kaudsed tõendid võivad olla ekslikud. See on aga esialgu vaid teooria.

Selles arenguetapis ei suuda teadus mustade aukude olemasolu kinnitada ega ümber lükata. Jääb üle oodata uusi tähelepanekuid, nende analüüsi ja mõningaid hilisemaid vastuseid neile küsimustele.

Musta augu sündmuste horisont viitab punktile, kust mustale augule lähenedes tagasi pole. Einsteini üldises relatiivsusteoorias on sündmuste horisont koht, kus ruum ja aeg on gravitatsiooni mõjul nii väänatud, et te ei saa kunagi lahkuda. Kui ületate sündmuste horisondi, saate liikuda ainult sissepoole, mitte kunagi väljapoole. Ühekülgne sündmuste horisont viib aga nn informatsiooni paradoksini.

Infoparadoks pärineb termodünaamikast, eelkõige selle teisest seadusest. Kõige lihtsamal kujul võib seda seletada kui "soojus kandub kuumalt kehalt külmale". Kuid seadus on kasulikum, kui seda väljendatakse entroopias. Seega on see sõnastatud nii, et "süsteemi entroopia ei saa väheneda". Paljud inimesed tõlgendavad entroopiat kui süsteemi häire taset või süsteemi kasutuskõlbmatut osa. See tähendaks, et asjad peaksid aja jooksul alati vähem kasulikuks muutuma. Kuid entroopia sõltub süsteemi kirjeldamiseks vajaliku teabe tasemest. Järjestatud süsteemi (näiteks pallid on võre peale ühtlaselt jaotunud) on lihtne kirjeldada, kuna objektidel on üksteisega lihtsad ühendused. Teisest küljest võtab järjestamata süsteem (juhuslikult jaotatud pallid) kirjeldamiseks rohkem teavet, kuna see pole nende jaoks lihtne muster. Seega, kui teine ​​seadus ütleb, et entroopia ei saa kunagi väheneda, siis eeldatakse, et süsteemi füüsiline informatsioon ei saa väheneda. Teisisõnu, teavet ei saa hävitada.

Sündmuste horisondi probleem on see, et võite visata objekti (suure entroopiaga) musta auku ja entroopia peaks lihtsalt kaduma. Teisisõnu, universumi entroopia on väiksem, mis rikub termodünaamika teist seadust. Loomulikult ei võeta see arvesse kvantefekte, täpselt neid, mida nimetatakse Hawkingi kiirguseks, mille pakkus esmakordselt välja Stephen Hawking 1974. aastal.

Hawkingi kiirguse algne idee on seotud kvantteooria määramatuse põhimõttega. Kvantteoorias on piirid sellele, mida saab objekti kohta teada. Näiteks ei saa te täpselt teada objekti energiat. Selle ebakindluse tõttu võib süsteemi energia spontaanselt kõikuda, eeldusel, et selle keskmine jääb muutumatuks. Hawking näitas, et musta augu sündmuste horisondi lähedal võivad osakeste paarid tekkida, kui üks osake jääb sündmuste horisondi lõksu (vähendab veidi musta augu massi), samas kui teine ​​võib kiirgusena välja pääseda (kandes ära osa osakestest). musta augu energia).

Kuna need kvantosakesed esinevad paarikaupa, siis on nad "põimunud" (ühendatud kvantmõttes). Pole tähtis, kas te ei soovi, et Hawkingi kiirgus kiirgaks mustas augus sisalduvat teavet. Hawkingi algses koostises ilmusid osakesed juhuslikult, seega oli mustast august tulev kiirgus puhtjuhuslik. Seega ei võimalda Hawkingi kiirgus salvestatud teavet taastada.

Et Hawkingi kiirgus saaks mustast august infot välja viia, tuleb sündmuste horisondil katkestada osakeste paaride vaheline põimunud ühendus, et osakesed saaksid musta augu sees olevate infot kandvate ainetega kaduma minna. See algse takerdumise katkemine peaks paistma väljapääsevad osakesed sündmuste horisondi pinnal intensiivse "tulemüürina". See tähendaks, et kõik, mis liigub musta augu poole, ei satuks musta auku. Selle asemel aurustub see sündmuste horisonti jõudmisel Hawkingi kiirguse toimel. Näib, et objekti füüsiline informatsioon kaob musta auku kukkudes (infoparadoks) või aurustuvad objektid enne sellesse sisenemist (tulemüüri paradoks).

Selles uues töös pakub Hawking teistsugust lähenemist. Ta väidab, et sündmuste horisondi ruumi ja aja gravitatsioonilise väänamise asemel tekitavad Hawkingi kiirguse kvantkõikumised piirkonnas turbulentsikihi. Nii et terava sündmuste horisondi asemel on mustal augul "nähtav horisont", mis näeb välja nagu sündmuste horisont, kuid võimaldab teabel lekkida.

Kui Stephen Hawkingil on õigus, suudab ta lahendada teoreetilist füüsikat vaevava teabe/tulemüüri paradoksi. Mustad augud on astrofüüsikalises mõttes endiselt olemas (meie galaktika keskmes asuv ei kao kuhugi), kuid neil puudub sündmuste horisont. Tuleb rõhutada, et Hawkingi tööd ei ole eelretsenseeritud ja neil on mõnevõrra puudulikud üksikasjad. See on pigem idee esitlus kui paradoksi detailne lahendus. Vaja on täiendavaid uuringuid, et teha kindlaks, kas see idee on lahendus, mida on nii kaua otsitud.

Kuid tänapäeval kahtlevad vähesed teadlased nende olemasolus. Peaaegu absoluutse massi ja gravitatsiooniga ülitihedad objektid on hiidtähtede evolutsiooni lõpp-produkt, need painutavad ruumi ja aega ega lase isegi valgust läbi.

Põhja-California ülikooli füüsikaprofessor Laura Mersini-Houghton tõestas aga matemaatiliselt, et musti auke ei pruugi looduses üldse eksisteerida. Seoses oma leidudega ei tee teadlane ettepanekut revideerida kaasaegseid ideid aegruumi kohta, kuid ta usub, et teadlastel on Universumi päritolu teooriates midagi puudu.

"Olen ikka veel šokeeritud. Oleme pool sajandit uurinud mustade aukude fenomeni ja need hiiglaslikud teabehulgad koos meie uute leidudega annavad meile ainet tõsiseks mõtlemiseks," tunnistab Mersini-Houghton pressiteates. .

Üldtunnustatud teooria on, et mustad augud tekivad siis, kui massiivne täht variseb enda gravitatsiooni mõjul ühte ruumipunkti. Nii sünnib singulaarsus, lõpmatult tihe punkt. Seda ümbritseb nn sündmuste horisont, tinglik joon, millest kõik, mis on kunagi ületanud, pole kunagi tagasi kosmosesse tagasi pöördunud, nii tugevaks osutus musta augu külgetõmme.

Mustade aukude ja universumi päritolu teooriad on nüüd kahtluse all

Selliste objektide ebatavalisuse põhjuseks on see, et mustade aukude olemust kirjeldavad vastuolulised füüsikateooriad – relativism ja kvantmehaanika. Einsteini gravitatsiooniteooria ennustab mustade aukude teket, kuid kvantteooria põhiseadus ütleb, et ükski informatsioon universumist ei saa igaveseks kaduda ja mustad augud kaovad Einsteini sõnul osakesed (ja teave nende kohta) ülejäänud ajaks. universum sündmuste horisondi taga igaveseks.

Katsed ühendada need teooriad ja jõuda universumi mustade aukude ühtse kirjelduseni, lõppesid matemaatilise nähtuse - teabekao paradoksi - ilmnemisega.

1974. aastal tõestas kuulus kosmoloog Stephen Hawking kvantmehaanika seaduste abil, et osakesed võivad siiski sündmuste horisondist kaugemale jõuda. Seda hüpoteetilist "õnnelike" footonite voogu nimetatakse Hawkingi kiirguseks. Sellest ajast alates on astrofüüsikud avastanud üsna kindlaid tõendeid sellise kiirguse olemasolu kohta.

Info kadumine mustas augus on paradoksaalne ja kvantmehaanika mõttes võimatu

(illustreerinud NASA/JPL-Caltech).

Kuid nüüd kirjeldab Mersini-Houghton täiesti uut stsenaariumi universumi arengust. Ta nõustub Hawkingiga, et täht kukub kokku oma gravitatsiooni mõjul, misjärel see kiirgab osakeste vooge. Mersini-Houghton aga näitab oma uues töös, et seda kiirgust kiirgades kaotab täht ka oma massi ja teeb seda sellise kiirusega, et kokkusurutuna ei saa ta omandada musta augu tihedust.

Uurija väidab oma artiklis, et singulaarsus ei saa tekkida ja selle tulemusena . Dokumendid ( , ), mis lükkavad ümber mustade aukude olemasolu, leiate ArXiv.org eeltrüki saidilt.

Kuna arvatakse, et meie Universum on tema ise, siis seoses uute leidudega seatakse kahtluse alla ka Suure Paugu teooria truuduse küsimus. Mersini-Houghton väidab, et tema arvutustes käivad kvantfüüsika ja relativism käsikäes, nagu teadlased on alati unistanud, ja seetõttu võib just tema stsenaarium osutuda usaldusväärseks.