Търсим черни дупки, по-стари от самата Вселена

Ваня Милева Последна промяна на 03 април 2023 в 00:01 11962 0

първичнa чернa дупкa

Кредит GSFC/NASA

Илюстрация на черна дупка.

Първичните черни дупки, по-стари от Големия взрив, могат да пренапишат космологията, предоставяйки доказателства за съществуването на предишна Вселена. Това е изключително смела идея, но някои физици смятат, че имаме шанс да ги открием такива черни дупки.

Преди 50 години съществуването на черните дупки - области от пространството, в които гравитацията е толкова силна, че светлината никога не може да избяга, все още е било под съмнение.

Днес това вече е подтвърдено по много начини. Знаем, че те се образуват от колапсиращи звезди, а свръхмасивните черни дупки се срещат в центровете на галактиките. Дори има снимки на две от тях.

Но съществува още една екстравагантна идея: че по-малките черни дупки може да са се образували в ранната Вселена, малко след Големия взрив, а може би дори преди него.

Бърнард Кар (Bernard Carr) работи по изучаването на това, което сега наричаме първични черни дупки, под ръководството на Стивън Хокинг. 

Съществуването на черни дупки, по-стари от самата Вселена, е странна идея, но не и невъзможна. А нови изследвания показват, че един ден може би ще успеем да ги идентифицираме - пробив, който ще промени коренно разбирането ни за космологията.

Повечето космолози твърдят, че цялата материя и енергия, която днес се намира в нашата Вселена, е възникнала преди 13,8 милиарда години, събитие, което наричаме Голям взрив. След това е имало период, в който Вселената се е разраствала експоненциално бързо, наречен космическа инфлация, преди да се успокои до по-спокойно разширяване.

Големият взрив

Един от проблемите на тази картина е, че не знаем със сигурност какво се е случило при Големия взрив. Той често се описва като сингулярност - точка с безкрайна плътност - а Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, най-доброто ни описание на гравитацията, се разпада при сингулярност. В резултат на това не можем да го отразим с обичайните уравнения, които описват реалността.

Това кара някои космолози да спекулират, че Вселената е започнала с т.нар. "Голям отскок" (Вig Вounce). Вместо всичко да се е появило в един момент, Големият отскок е бил резултат от това, че предишната, свиваща се вселена е започнала да се разширява отново. Това е своеобразен Голям взрив, но без сингулярност, тъй като Вселената винаги има крайна плътност. Сценарият на Големия взрив е съвместим с някои опити за обединяване на законите на физиката, като например някои модели на квантовата космология, квантовата гравитация и някои алтернативни теории на гравитацията.

Ако нашата Вселена е произлязла от отскок, тя може и да завърши с такъв. Този вид повтарящи се отскоци, при които Вселената преминава през периоди на разширяване и свиване, се нарича циклична Вселена. Той се прилага само ако Вселената е обречена на повтарящ се колапс, а това от своя страна зависи от естеството на тъмната енергия - загадъчната сила, която кара Вселената да се разпада все по-бързо и по-бързо. Въпреки това, ако открием доказателства за тези модели на отскачане и циклично свиване, това би имало огромни последици, както за начина, по който е започнала Вселената, така и за това как може да приключи.

Намирането на тези доказателства е трудно, отчасти защото всичко, което е съществувало в предишната вселена, вероятно е било унищожено при нейното разрушаване. А може би не?

Бърнард Кар смята, че има вероятност някои черни дупки от предишната вселена да са оцелели при Големия взрив и да съществуват и днес.

Идеята, че черните дупки може да са се образували в ранната Вселена, датира от началото на 70-те години на миналия век.

Бърнард Кар и Стивън Хокинг обмислят дали черните дупки биха могли да се образуват от флуктуации на плътността в близост до Големия взрив. Според техните изчисления това наистина изглежда възможно. Но има една пречка.

Няколко години по-рано руските изследователи Яков Зелдович и Игор Новиков са доказали, че всички черни дупки, образувани в ранната Вселена, ще растат бързо и ще достигнат огромна маса днес. Това е изключено от наблюденията - щяхме да видим ефектите от такива черни дупки, затова те заключават, че първичните черни дупки никога не са се образували.

Кар и Хокинг показват в първата им съвместна статия, че този резултат е погрешен - поради разширяването на Вселената, което двамата руски изследователи не са взели предвид, първичните черни дупки изобщо няма да нараснат много и може би все пак са съществували.

Първични черни дупки

Петдесет години по-късно все още не сме видели със сигурност нито една от тези черни дупки, въпреки че някои хора смятат, че има намеци за тях в откритите пулсации в пространство-времето, наречени гравитационни вълни. Това, което можем да кажем със сигурност, е поне, че мисълта за тях подтиква Стивън Хокинг да открие излъчването, което черните дупки излъчват, което наричаме лъчение на Хокинг и информационния парадокс на черните дупки.

Разбира се, би било много по-интересно, ако наистина са се образували първични черни дупки, и през последните години интересът към тази идея нараства. Знаем, че всички черни дупки с маса, по-малка от 1 милиард тона, което е приблизително масата на планина, но е с размерите на протон, досега биха се изпарили заради лъчението на Хокинг. Но всички черни дупки, по-големи от тази, биха съществували днес.

Съществува обаче още по-интригуваща възможност. Преди около 10 години Кар и Хокинг, заедно с Алън Коули (Alan Coley) от Университета Далхуси в Халифакс, Канада, разглеждат идеята дали живеем в циклична вселена. Те обмислят дали черните дупки може да са се образували в предишен космически цикъл и осъзнават, че има две възможности.

Първата е, те да са се образували поради високата плътност на предишната Вселена в последните моменти от нейния колапс. Този "голям срив" е точно като фазата на висока плътност при Големия взрив, но протичаща назад във времето. Така че, ако черните дупки могат да се образуват при Големия взрив, те могат да се образуват и при Големия срив. В този случай те биха имали минимална маса, определена от плътността на Вселената по време на взрива - времето, в което Вселената е най-плътна. Ако тази плътност е достатъчно малка, черните дупки биха могли да бъдат достатъчно големи, за да обяснят тъмната материя - мистериозната материя, която предпазва галактиките от разпадане или произхода на свръхмасивните черни дупки.

Това е художествено изображение на черна дупка, която се носи през нашата галактика Млечен път. Черната дупка е смачканият остатък от масивна звезда, която е избухнала като свръхнова. Запазеното ядро е с маса, няколко пъти по-голяма от тази на нашето Слънце. Черната дупка улавя светлината заради силното си гравитационно поле. Черната дупка изкривява пространството около себе си, което изкривява изображенията на фоновите звезди, подредени почти непосредствено зад нея. Този "ефект на гравитационна леща" предлага единственото красноречиво доказателство за съществуването на самотни черни дупки в нашата галактика, които може би наброяват 100 милиона. Космическият телескоп "Хъбъл" издирва тези черни дупки, търсейки изкривяване на звездната светлина, докато черните дупки се движат пред фоновите звезди. Как са се образували свръхмасивните черни дупки не е изяснено засега. Кредит: ESA/Hubble, DSS, Nick Risinger, N. Bartmann

В по-късен етап на работата това е изследвано по-подробно. През 2016 г. Джером Кинтин (Jerome Quintin) и Робърт Бранденбергер (Robert Brandenberger), и двамата от Университета Макгил в Монреал, Канада, изчисляват квантовите и топлинните флуктуации на колапсираща Вселена. Те установяват, че черните дупки наистина могат да се образуват, макар и само ако във Вселената преобладава материята, а не лъченията.

Втората възможност е черните дупки да са се образували в по-ранна фаза на предишната Вселена - също като черните дупки, които се образуват от колапса на звезди или галактически ядра в нашата Вселена.

"И в двата случая следващият ни въпрос е дали черните дупки отпреди Големия взрив ще оцелеят след отскока и ще се запазят в настоящия цикъл. Това зависи от частта от обема на Вселената, заета от черни дупки по време на отскока. Разсъждавахме, че може да се очаква черните дупки да се запазят, ако разстоянието между тях при отскока е по-голямо от типичния им размер, защото те няма да бъдат притиснати една към друга и да се слеят. Стигнахме до заключението, че това би трябвало да е възможно в много ситуации", разказва Кар.

През 2015 г. Тимъти Клифтън (Timothy Clifton) от Лондонския университет "Куин Мери", заедно с Коули и с Кар, прави опит да се справи с този въпрос по по-прецизен от математическа гледна точка начин. Те получават някои точни решения на уравненията на Айнщайн на Общата теория на относителността, описващи правилна мрежа от черни дупки във вселена, която претърпява отскок. Резултатите показват, че наистина съществуват решения, при които множество черни дупки се запазват при отскока.

Инфографика за произхода и еволюцията на Вселената. Отляво е периодът на инфлация. Кредит: НАСА / JPL.

Инфлацията не е задължителна 

По-късно Кар и Хокинг разглеждат и някои космологични последици от това предложение, твърдейки, че черните дупки преди Големия взрив в различни масови диапазони биха могли да обяснят тъмната материя, да осигурят семена за галактиките и може би дори да предизвикат самия взрив. В стандартния сценарий на Големия взрив първичните черни дупки, генерирани преди инфлацията, биха се разредили експоненциално, така че за всички присъстващи днес обикновено се приема, че са се формирали след инфлацията, но в някои модели на отскок няма инфлация.

Впоследствие други изследователи доразвиват тези идеи. През 2018 г. Карло Ровели (Carlo Rovelli) от Университета Екс-Марсилия във Франция и Франческа Видото (Francesca Vidotto) от Западния университет в Онтарио, Канада, изследват възможността тъмната материя да е съставена от остатъци от черни дупки преди Големия взрив. Те твърдят, че само малка част от обема на Вселената би била извън тези черни дупки по време на взрива, въпреки че наблюдателите в тези региони биха видели хомогенна Вселена в по-късни времена. (вж "Тъмната материя може да е по-стара от Големия взрив")

Една още по-екзотична възможност е отскокът да притисне Вселената толкова плътно, че всички черни дупки да се слеят. Дори свръхмасивните черни дупки, за които знаем, че съществуват днес, биха могли да доведат до тази ситуация, ако нашата Вселена в крайна сметка се свие отново. Тези постепенни сливания биха генерирали черни дупки с йерархия на нарастваща маса, докато накрая цялата Вселена не се превърне в черна дупка.

Никой не знае какво би се случило в тази ситуация, но работата на две групи наскоро хвърли светлина върху проблема. Миналата година Даниела Перес (Daniela Pérez) и Густаво Ромеро (Gustavo Romero) от Аржентинския институт по радиоастрономия и независимо от тях екип, ръководен от Максенс Корман (Maxence Corman) от Института "Периметър" в Канада, изчисляват поведението на една черна дупка по време на отскок. Въпреки че подробностите в изчисленията им се различават, и двете групи са на мнение, че черна дупка може да оцелее при отскока и че размерът ѝ може да се свие за известен период от време. Това свиване поражда и възможността черните дупки никога да не се слеят заедно напълно.

Всичко това е добре, но какво да кажем за намирането на доказателства?

Интересно е, че друго неотдавнашно проучване дава известна надежда, че един ден може да сме в състояние да идентифицираме черни дупки преди Големия взрив, което означава, че можем да ги разграничим от черните дупки, образувани в нашата Вселена. То е ръководено от И-Фу Цай (Yi-Fu Cai) от Китайския университет за наука и технологии, който изследва идеята, че първичните черни дупки може да са породили свръхмасивните черни дупки в центровете на галактиките.

Новото изображение на черната дупка Стрелец A* потвърждава и уточнява предишни прогнози за нейния размер и ориентация. Масата на черната дупка определя нейния размер или това, което учените наричат гравитационен диаметър. Точката, в която никаква светлина не може да излезе от черната дупка, наречена хоризонт на събитията, се определя от тази маса и от въртенето на черната дупка. Около масивния обект в акреционния диск се движи гореща плазма, която излъчва радиовълни. Тези радиовълни се огъват и изкривяват от гравитацията, заради ефекта "гравитационна леща", за да се получи изображението на оранжевите външни кръгове. Сянката на черната дупка и емисионният пръстен, показани тук, са гравитационно линзирани проекции на далечната страна на хоризонта на събитията на черната дупка и на акреционния диск, съответно. Кредит: K. McCormick / Knowable Magazine

Свръхмасивни черни дупки

Тези огромни черни дупки са с маса от 1 милион до 10 милиарда пъти по-голяма от тази на Слънцето (има рекордьори с над 30, 40 и дори 100 милиарда слънчеви маси). От наблюденията на далечната Вселена знаем, че те са съществували много рано - вероятно твърде скоро, за да са създадени чрез стандартни астрофизични процеси. Не е ясно как са могли да станат толкова големи и толкова бързо. Една от възможностите, макар и да не е най-разпространеното мнение, е те да са били посяти от първични черни дупки. В такъв случай има ли някакъв начин да се разбере дали тези първични черни дупки са се появили в резултат на Голям взрив или на Голям отскок?

Цай и колегите му моделират флуктуациите на плътността при инфлационен сценарий и сценарий на отскок, за да сравнят двата модела. Те предвиждат, че броят на свръхмасивните черни дупки ще спада по-рязко с увеличаване на масата в случай на отскок. В момента не разполагаме с достатъчно данни, за да разграничим двата сценария. Но бъдещите наблюдения на космическия телескоп "Джеймс Уеб" биха могли да осигурят това.

Съществуването на първични черни дупки, образувани в тази Вселена, е спекулативно, така че идеята за черни дупки от предишна Вселена може да изглежда двойно по-спекулативна. Въпреки това е важно да се изследва тази възможност, да не говорим, че е много вълнуваща. Точно както идеята за първичните черни дупки е довела до важни прозрения за квантовата гравитация, така идеята за черните дупки преди Големия взрив може да доведе до по-нататъшни физични прозрения, дори ако се окаже, че Вселената не е циклична.

Бонбони с черни дупки

Може би най-важната последица от идеята за първичните черни дупки е, че тя мотивира Стивън Хокинг да разгледа квантовите ефекти на черните дупки. По-специално той открива, че черните дупки излъчват лъчение на Хокинг.

Само първичните черни дупки могат да бъдат достатъчно малки, за да може това излъчване да доведе до изчезването им по време на развитието на Вселената. Разсъжденията по този въпрос довеждат Хокинг и до информационния парадокс на черната дупка: според квантовата теория информацията не може да бъде унищожена, но той твърди, че информацията ще бъде загубена, когато черната дупка се изпари. По-късно той променя мнението си по този въпрос и днес все още се разсъждава върху разрешаването на този парадокс.

Радиацията на Хокинг е едно от най-важните открития във физиката на 20-ти век. То обединява три различни дотогава области на физиката: квантовата теория, общата теория на относителността и термодинамиката. То е толкова красив резултат, че физикът Джон Уилър - който измисля термина "черна дупка" - казва, че да говориш за него е като "да си търкаляш бонбони по езика".

Дори ако първичните черни дупки никога не са се образували, откриването на лъчението на Хокинг показва, че е било важно да се мисли за тях. (вж "Лъчението и парадоксът на Хокинг".

Източник: The hunt for black holes older than the universe itself, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !