26 ноември 2020
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Черните дупки и най-тъмната тайна на Млечния път

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 06 октомври 2020 в 13:36 69530
Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Свързани новини

Тримата лауреати споделят тазгодишната Нобелова награда за физика за своите открития за едно от най-екзотичните явления във Вселената, черните дупки.

Роджър Пенроуз показа, че черните дупки са пряко следствие от Общата теория на относителността. Райнхард Генцел и Андреа Гез откриха, че невидим и изключително масивен обект управлява орбитите на звездите в центъра на нашата галактика, Млечния път. Свръхмасивната черна дупка е единственото известно в момента обяснение.

Пробив отвъд Айнщайн

Дори Алберт Айнщайн, бащата на Общата теория на относителността, не е мислил, че всъщност могат да съществуват черни дупки. Десет години след смъртта на Айнщайн, британският теоретик Роджър Пенроуз демонстрира с помощта на нови математически методи и топологията, че могат да се образуват черни дупки, и описва техните свойства. В сърцето си черните дупки крие сингулярност, граница, отвъд която всички известни природни закони се нарушават.

За да докаже, че образуването на черни дупки е стабилен процес, Пенроуз разшири методите, използвани за изучаване на теорията на относителността - справяйки се с проблемите на теорията с нови математически концепции. Новаторската статия на Пенроуз е публикувана през януари 1965 г. и все още се счита за най-важния принос към общата теория на относителността след Айнщайн.

Гравитацията държи Вселената в хватката си

Черните дупки са може би най-странното следствие от Общата теория на относителността. Когато Алберт Айнщайн представя своята теория през ноември 1915 г., тя преобръща всички предишни концепции за пространство и време. Теорията предостави изцяло нова основа за разбиране на гравитацията, която оформя мащабните сртуктури на Вселената. Оттогава тази теория предоставя основата за всички изследвания на Вселената, а също така има практическа употреба в един от най-често срещаните ни навигационни инструменти, GPS.

Теорията на Айнщайн описва как всичко във Вселената е в плен на гравитацията. Гравитацията ни държи на Земята, тя управлява орбитите на планетите около Слънцето и орбитата на Слънцето около центъра на Млечния път. Тя води до раждането на звезди от междузвездните облаци прах и газ и в крайна сметка до тяхната смърт от гравитационен колапс. Гравитацията придава форма на пространството и влияе върху течението на времето. Масивните обекти огъват пространството и забавят времето, а изключително масивните могат дори да разкъсат и капсулират парче от пространство образувайки черна дупка.

Първото теоретично описание на това, което сега наричаме черна дупка, се появява само няколко седмици след публикуването на Общата теория на относителността. Въпреки изключително сложните математически уравнения на теорията, германският астрофизик Карл Шварцшилд успява да представи на Айнщайн решение, което описва как големите маси могат да огъват пространството и времето.

По-късните проучвания показват, че образуваната черна дупка е заобиколена от хоризонт на събитията, който обхваща масата в центъра си като воал. Черната дупка остава завинаги скрита в своя хоризонт на събитията. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голяма е черната дупка и нейният хоризонт. За маса, еквивалентна на Слънцето, хоризонтът на събитията има диаметър почти три километра, а за маса като тази на Земята диаметърът му е само девет милиметра.

Нищо във Вселената не е перфектно

Концепцията за „черната дупка“ е намерила ново значение в много форми на културно изразяване, но за физиците черните дупки са естествената крайна точка на еволюцията на гигантските звезди. Първото изчисление на драматичния колапс на масивна звезда е направено в края на 30-те години от физика Робърт Опенхаймер, който по-късно ръководи проекта Манхатън, конструирал първата атомна бомба. Когато гигантските звезди, много пъти по-масивни от Слънцето, останат без гориво, те първо експлодират като свръхнови, а след това колапсират в изключително плътни останки, толкова тежки, че гравитацията им привлича всичко, дори и светлината.

Идеята за „тъмните звезди“ е била разглеждана още в края на 18 век в трудовете на британския философ и математик Джон Мишел и известния френски учен Пиер Симон де Лаплас. И двамата са смятали, че небесните тела могат да станат толкова плътни, че да станат невидими - дори светлината не би била достатъчно бърза, за да избегне тяхната гравитация.

Малко повече от век по-късно, когато Алберт Айнщайн публикува Общата си теория на относителността, някои от решенията на прословутите уравнения на теорията описват точно такива тъмни звезди. До 60-те години тези решения се разглеждат като чисто теоретични спекулации, описващи идеални ситуации, в които звездите и техните черни дупки са идеално кръгли и симетрични. Но нищо във Вселената не е перфектно и Роджър Пенроуз е първият, който успешно намира реалистично решение за цялата колапсираща материя, с нейните тънки, трапчинки и естествени несъвършенства.

Мистерията на квазарите

Въпросът за съществуването на черни дупки се появява отново през 1963 г. с откриването на квазарите, най-ярките обекти във Вселената. В продължение на почти десетилетие астрономите са озадачени от радиовълните от загадъчни източници, като 3C273 в съзвездието Дева. Радиацията във видимата светлина най-накрая разкрива истинското си местоположение - 3C273 е толкова далеч, че лъчите пътуват към Земята повече от милиард години.

Ако източникът на светлина е толкова далеч, той трябва да има интензитет, равен на светлината от няколкостотин галактики. Той получава името „квазар“. Астрономите скоро откриват квазари, които са толкова далечни, че лъчите им са тръгнали в ранното детство на Вселената. Откъде идва тази невероятна радиация? Има само един начин да се получи толкова много енергия в рамките на ограничения обем на квазара - от материя, попадаща в масивна черна дупка.

Затворените повърхности решават загадката

Роджър Пенроуз мисли върху въпроса дали черните дупки могат да се образуват при реални условия. Отговорът, както той си спомня по-късно, се появява през есента на 1964 г. по време на разходка с колега в Лондон, където Пенроуз е професор по математика в колежа Биркбек. Когато за миг спират да говорят, за да пресекат странична улица, в съзнанието му проблясна идея. По-късно същия следобед той разбира, че тази идея, която нарича "затворени повърхности" (trapped surfaces), е ключът, който несъзнателно търси, ключов математически инструмент, необходим за описание на черните дупки.

Затворената повърхност принуждава всички лъчи да сочат към центъра, независимо дали повърхността се извива навън или навътре. Използвайки затворени повърхности, Пенроуз успя да докаже, че черната дупка винаги крие сингулярност, граница, където свършват времето и пространството. Плътността й е безкрайна и все още няма теория за това как да се подходи към това най-странно явление във физиката.

Затворените повърхности се превръщат в централна концепция във финала на доказателството на Пенроуз на теоремата за сингулярността. Топологичните методи, които той въвежда, сега са безценни при изучаването на нашата изкривена Вселена.

Еднопосочна улица до края на времето

След като материята започне да се руши и се образува затворена повърхност, нищо не може да спре колапса да продължи. Няма път назад, както в историята, разказана от физика и нобелов лауреат Субрахманян Чандрасекар от детството му в Индия. Историята е за водни кончета и техните ларви, които живеят под водата. Когато ларвата е готова да разгърне крилата си, тя обещава, че ще каже на приятелите си какъв е животът от другата страна на водната повърхност. Но след като ларвата премине през повърхността и отлети като водно конче, връщане няма. Ларвите във водата никога няма да чуят историята на живота от другата страна.

Черна дупка. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

По същия начин материята може да премине хоризонта на събитията на черната дупка само в една посока. След това всички възможни пътища сочат навътре, а потокът на времето носи всичко към неизбежния край на сингулярността. Няма да почувствате нищо, ако паднете през хоризонта на събитията на свръхмасивна черна дупка. Отвън никой не може да види как падате и пътуването ви към хоризонта продължава вечно. Невъзможно е в рамките на законите на физиката да се надникне в черната дупка - черните дупки крият всичките си тайни зад хоризонта на събитията.

Черните дупки управляват пътищата на звездите

Въпреки че не можем да видим черната дупка, възможно е да установим нейните свойства, като наблюдаваме как колосалната й гравитация насочва движенията на околните звезди.

Райнхард Генцел и Андреа Гез ръководят отделни изследователски групи, които изследват центъра на нашата галактика, Млечния път. Оформен като плосък диск с размери около 100 000 светлинни години, той се състои от газ и прах и няколкостотин милиарда звезди. Една от тези звезди е нашето Слънце. От нашата гледна точка на Земята огромни облаци междузвезден газ и прах закриват по-голямата част от видимата светлина, идваща от центъра на галактиката. Инфрачервените телескопи и радиотехнологиите първи позволяват на астрономите да надникнат през галактическия диск и да изобразят звездите в центъра му.

Използвайки орбитите на звездите като водачи, Генцел и Гез представят най-убедителното доказателство, че там се крие невидим свръхмасивен обект. Черната дупка е единственото възможно обяснение.

Повече от петдесет години физиците подозират, че в центъра на Млечния път може да има черна дупка. Откакто са открити квазарите в началото на 60-те години, физиците предполагат, че в повечето големи галактики, включително Млечния път, трябва да има свръхмасивни черни дупки. Понастоящем обаче никой не може да обясни как са се образували галактиките и техните черни дупки между няколко милиона и милиарди слънчеви маси.

Преди сто години американският астроном Харлоу Шапли е първият, който идентифицира центъра на Млечния път, по посока на съзвездието Стрелец. По-късните наблюдения на астрономите, насочени в тази област, разкриват силен източник на радиовълни, който получава името Стрелец A*. Към края на 60-те години става ясно, че Стрелец А* заема центъра на Млечния път, около който обикалят всички звезди в галактиката.

Едва през 90-те години по-големите телескопи и по-доброто оборудване позволяват по-систематични изследвания на Стрелец A*. Райнхард Генцел и Андреа Гез започват свои проекти, за да се опитат да проникнат през облаците прах до сърцето на Млечния път. Заедно със своите изследователски групи, те разработват и усъвършенстват своите техники, изграждайки уникални инструменти и се ангажираха с дългосрочни изследвания.

Млечният път, нашата галактика, гледана отгоре. Тя е оформена като плосък диск с размери около 100 000 светлинни години. Спиралните й ръкави са направени от газ и прах и няколкостотин милиарда звезди. Една от тези звезди е нашето Слънце. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Германският астроном Райнхард Генцел и неговата група първоначално са използвали телескопа NTT (New Technology Telescope) на планината Ла Сила в Чили. По-късно преместват наблюденията си в съоръжението Very Large Telescope, VLT, в планината Паранал (също в Чили). С четири гигантски телескопа, два пъти по-големи от NTT, VLT разполага с най-големите монолитни огледала в света, всеки с диаметър над 8 метра.

В САЩ Андреа Гез и нейният изследователски екип използват обсерваторията Кек, разположена на хавайската планина Мауна Кеа. Неговите огледала са с диаметър почти 10 метра и в момента са сред най-големите в света. Всяко огледало е като пчелна пита, състояща се от 36 шестоъгълни сегмента, които могат да се контролират отделно, за да се фокусира по-добре звездната светлина.

Звездите показват пътя

Колкото и големи да са телескопите, винаги има ограничение за детайлите, които могат да хванат, защото живеем на дъното на почти 100-километрова дълбочина на атмосферното море, което изкривява светлинните вълни. Ето защо звездите примигват, а също така и образите им са размити.

Телескопите вече са оборудвани с тънко допълнително огледало, което компенсира турбуленцията на въздуха и коригира изкривеното изображение.

В продължение на почти тридесет години Райнхард Генцел и Андреа Гез следват своите звезди в далечния хаос в центъра на нашата галактика. Те продължават да разработват и усъвършенстват технологията с по-чувствителни цифрови сензори за светлина и по-добра адаптивна оптика, така че разделителната способност на изображението се подобрява повече от хиляда пъти. Сега те могат да определят по-точно позициите на звездите, като ги следват  нощ след нощ.

Изследователите проследяват около тридесет от най-ярките звезди в множеството. Звездите се движат най-бързо в радиус от един светлинен месец от центъра, вътре в който изпълняват танц, подобен на рояк пчели. От друга страна, звездите, които са извън тази област, следват своите елипсовидни орбити по по-подреден начин.

Орбитите на звездите разкриха, че нещо невидимо и тежко управлява техните пътища в сърцето на Млечния път. Кредит: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Една звезда, наречена S2 или S-O2, завършва орбита на центъра на галактиката за по-малко от 16 години. Това е изключително кратко време, така че астрономите успяха да картографират цялата й орбита. Можем да сравним това със Слънцето, на което са нужни повече от 200 милиона години, за да завърши една обиколка около центъра на Млечния път - динозаврите са се разхождали по Земята, когато сме започнали сегашната ни обиколка.

Центърът на Млечния път. Илюстрация: NASA/M. Weiss

Теорията и наблюденията

Съгласуването между измерванията на двата екипа е отлично, което довежда до заключението, че черната дупка в центъра на нашата галактика трябва да е еквивалентна на около 4 милиона слънчеви маси в регион с размерите на нашата слънчева система.

Може скоро да получим директен поглед към Стрелец A*. Това е следващото в списъка, защото преди малко повече от година астрономическата мрежа на Event Horizon Telescope успя да изобрази най-близкото обкръжение на свръхмасивна черна дупка в галактика, известна като Messier 87 (M87), на 55 милиона светлинни години от нас.

Черното ядро ​​на M87 е гигантско, над хиляда пъти по-масивно от Стрелец A*. Сблъскващите се черни дупки, които предизвикаха наскоро откритите гравитационни вълни, са значително по-леки. Подобно на черните дупки, гравитационните вълни съществуваха само като изчисления от Общата теория на относителността на Айнщайн, преди да бъдат уловени за първи път през есента на 2015 г. от детектора LIGO в САЩ (Нобелова награда за физика, 2017).

Какво не знаем

Роджър Пенроуз показа, че черните дупки са пряко следствие от Общата теория на относителността, но при безкрайно силната гравитация на сингулярността тази теория престава да действа. Провежда се интензивна работа в областта на теоретичната физика за създаване на нова теория на квантовата гравитация. Това трябва да обедини двата стълба на физиката, теорията на относителността и квантовата механика, които се срещат в екстремната вътрешност на черните дупки.

В същото време наблюденията се приближават до черните дупки. Пионерската работа на Райнхард Генцел и Андреа Гез даде път за нови поколения прецизни тестове на Общата теория на относителността и нейните най-странни прогнози. Най-вероятно тези измервания също ще могат да дадат улики за нови теоретични прозрения. Вселената има много тайни и изненади, които трябва да бъдат открити.

Източник: Black holes and the Milky Way’s darkest secret, The Royal Swedish Academy of Sciences


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.