Изследвайки известните изображения на свръхмасивни черни дупки - Стрелец A* (Sgr A*) в центъра на Млечния път и черната дупка в центъра на галактиката Messier 87 (M87) - учени са изключили алтернатива на досегашната най-добра теория за гравитацията.
По този начин екипът зад това изследване също така помага да се потвърди съществуването на тъмна енергия и тъмна материя, двата най-загадъчни и трудни за обяснение аспекти на Вселената.
Въпреки че е може би най-вездесъщата "сила", която изпитваме, гравитацията не е толкова лесна за обяснение. Теорията на Нютон за гравитацията бе добър ранен опит и все още работи перфектно за изчисления за сравнително малки обекти и скорости, но започва да се проваля, когато се разглеждат масивни обекти, дори не успява да обясни колебливата орбита на Меркурий.
През 1915 г. Айнщайн представя Общата теория на относителността, предполагайки, че гравитацията не е сила в традиционния смисъл, а вместо това възниква от кривината на пространството и времето, обединени като четириизмерна единица, наречена "пространство-време", причинена от присъствието на масата. Колкото по-голяма е масата на даден обект, толкова по-голяма е кривината на пространство-времето и следователно толкова по-голямо е гравитационното влияние на този обект.
Един от най-забележителните аспекти на Общата теория на относителността е броят на концепциите, които тя предсказва, включително черни дупки и гравитационни вълни, които по-късно бяха доказателствено потвърдени. Общата теория на относителността е една от най-проверяваните теории в науката и е оцеляла при всяко експериментално предизвикателство, отправено към нея. Така тя измества теорията на гравитацията на Нютон.
Общата теория на относителността обаче не е перфектна. Един от основните проблеми с нея е фактът, че космологичните теории, които разказват историята на Вселената на нейна основа, не могат да обяснят така наречената "тъмна вселена". Това е тъмната енергия, мистериозната сила, която движи ускоряването на разширяването на Вселената, и тъмната материя, странната субстанция, която превъзхожда обикновената материя пет пъти, но остава невидима.
Проблемът с тъмната вселена
Тъмната енергия представлява около 70% от общото количество материя/енергия във Вселената, докато тъмната материя представлява още 25% от това количество. Това означава, че всичко, което виждаме във Вселената около нас, всички звезди, планети, луни, астероиди, животни и т.н., представляват само 5% от съдържанието на Вселената. Нищо чудно, че повечето учени отчаяно искат да открият какво представляват тъмната енергия и тъмната материя.
Защо е важно това?
Това е така, защото други учени предполагат, че тъмната материя и тъмната енергия не съществуват. Вместо това те предполагат, че ефектите, които им приписваме, са следствие от факта, че Общата теория на относителността не е "правилната рецепта" за гравитацията. Тези изследователи предлагат теории за "модифицираната гравитация", които премахват необходимостта от съществуването на тъмната вселена. Някои модифицират теорията на гравитацията на Нютон, други се опитват да разширят Общата теория на относителността.
Една от най-достоверните модифицирани теории за гравитацията е миметичната гравитация, предложена през 2013 г. от изследователите Слава Муханов (Slava Mukhanov) и Али Чамседин (Ali Chamseddine). Миметичната гравитация разширява Общата теория на относителността, което води до появата на подобна на прах перфектна течност, която може да имитира студената тъмна материя на космологично ниво и може да обясни късното ускорение на космическото разширение, приписвано на тъмната енергия.
За да надмине и измести Общата теория на относителността, това, което всяка модифицирана теория за гравитацията трябва да направи, е да обясни един феномен във Вселената, който съответства на теорията на Айнщайн от 1915 г. Именно тук са намесени изображенията на черни дупки.
През април 2019 г., когато учени от Event Horizon Telescope (EHT) показаха първото в историята изображение на черна дупка на обществеността, свръхмасивната черна дупка M87*, те изразяват колко са изненадани, че тя почти точно съответства на външния вид на черна дупка и околностите й, предвидени от Общата теория на относителността. Това се усложнява през май 2022 г., когато първото изображение на "нашата черна дупка" Sgr A* също напълно отговаря на очакванията и много приличаше на M87*, въпреки че последната е много по-масивна от свръхмасивната черна дупка на Млечния път.
По този начин е съвсем естествено теориите за модифицираната гравитация да противоречат на наблюденията на свръхмасивните черни дупки M87* и Sgr A*, събрани от EHT, глобална мрежа от инструменти, която ефективно създава един телескоп с размерите на Земята. Точно това са се заели да направят авторите на нова статия .
"В известен смисъл самият факт, че можем да видим тези изображения, изключва миметичната гравитация!", заявява изследователят от университета в Тренто Съни Ваньоци (Sunny Vagnozzi). "Накратко, нашите открития напълно изключват основната миметична гравитация, която преди това бе един от най-малко вероятните модифицирани базирани на гравитацията модели за тъмна материя и тъмна енергия.
"В известен смисъл това емпирично дава още по-голяма подкрепа на факта, че тъмната материя и тъмната енергия може да са "истински", а не ефектът от модификациите на гравитацията."
Анатомия на черните дупки: Обща теория на относителността срещу мимическа гравитация
За да разберем защо изследванията на екипа и EHT изображенията са лоша новина за поддръжниците на миметичната гравитация, е необходимо да се задълбочим малко в анатомията на черните дупки.
Смята се, че всички черни дупки са съставени от централна сингулярност, извънредно малка област от пространството с безкрайна маса, където законите на физиката се провалят, и външна граница, наречена "хоризонт на събитията". Хоризонтът на събитията е точката, в която гравитационното влияние на черната дупка става толкова голямо, че дори светлината не е достатъчно бърза, за да избяга. По този начин всичко, което преминава през хоризонта на събитията на черна дупка, неотклонно и еднопосочно се отправя към централната сингулярност.
Около хоризонта на събитията има област от пространството, която се влачи заедно с въртенето на черната дупка поради нейната огромна гравитация. Невъзможно е материята да остане неподвижна в тази област, наречена "ергосфера". По-нататък е материята, която се движи около черната дупка със скорости, близки до светлината, което я кара да свети. Тази материя изглежда като поразителен златен пръстен в изображенията на M87* и Sgr A*, като сянката на черните дупки се появява в центъра на тези пръстени.
Структура на черна дупка на Кер. Кредит:K.A.I.L. WIJEWARDENA GAMALATH
Тоест, ако Общата теория на относителността е правилният закон за гравитацията и ако решение на нейните уравнения, наречено решение на Шварцшилд, точно описва анатомията на черните дупки.
Миметичната гравитация има две различни идеи за черните дупки. Ваньоци обяснява, че един от двата естествени класа обекти в миметичната гравитация е гола сингулярност. Това е централна сингулярност, която не е ограничена от улавящ светлината хоризонт на събитията. Липсата на хоризонт на събитията би означавала липса на EHT изображение.
Вторият възможен обект, предвиден в миметичната гравитация, е така наречената "миметична черна дупка". Ако EHT бе заснел такъв обект, изследователите щяха да видят изображение с много по-малка тъмна област в средата му от тъмната област, която се виждаше в изображенията на свръхмасивните черни дупки M87* и Sgr A*, събрани от EHT.
"Ние демонстрирахме, че голата сингулярност не хвърля сянка. Тя не би трябвало да се вижда в изображенията на EHT", обяснява Ваньоци. "Ако използваме аналогия от ежедневния живот, може да се каже, че изображенията на EHT всъщност са собственото ни отражение, което виждаме в огледалото. Ако бяхме миметична гола сингулярност, нямаше да видим отражението си в огледалото. Ако бяхме мимическа черна дупка, образът ни в огледалото щеше да е много по-малък, отколкото е в действителност.
"Тази аналогия би трябвало да даде представа какво се случва."
Ваньоци обяснява, че въпреки че интерпретацията на EHT данните за създаване на изображения на M87* и Sgr A* е сложен процес с известна граница на грешка, тази възможна несигурност просто не е достатъчно значителна, за да бъде заключението на екипа неправилно.
Изследователят подчертава, че изследването, проведено от екипа, изключва само "базова" версия на миметичната гравитация, добавяйки, че все още може да са възможни по-сложни теории за миметична гравитация с повече корекции на Общата теория на относителността.
"Това е абсолютна демонстрация на важността на EHT и неговите наблюдения. Това демонстрира, че EHT има потенциала да изключи кандидат-теории за тъмната материя и тъмната енергия, които преди бяха напълно жизнеспособни", коментира Ваньоци.
"Посланието за е много важно: всяка теория, която твърди, че обяснява тъмната материя и тъмната енергия, трябва не само да е в съответствие с космологичните наблюдения, но и с наблюденията на черни дупки, и това осигурява изключително нетривиален тест на много такива модели, които може да не е в съответствие с изображенията на EHT.
"Вярваме, че тази идея заслужава да бъде проучена много по-подробно."
Справка: Mohsen Khodadi, Sunny Vagnozzi, and Javad T. Firouzjaee Event Horizon Telescope observations exclude compact objects in baseline mimetic gravity, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-78264-y
Източник: Black hole images deliver a deathblow to alternative theory of gravity, Robert Lea, Advanced Science News
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари