În camerele încurcate ale găurilor negre, se ciocnesc două teorii fundamentale despre lumea noastră. Există cu adevărat găuri negre? Se pare că da. Pot fi rezolvate problemele fundamentale care apar la o inspecție mai atentă a găurilor negre? Necunoscut. Pentru a înțelege cu ce se ocupă oamenii de știință, va trebui să vă afundați puțin în istoria studiului acestor obiecte neobișnuite. Și vom începe cu faptul că dintre toate forțele care există în fizică, există una pe care nu o înțelegem deloc: gravitația.
Gravitatea este intersecția fizicii fundamentale și a astronomiei, granița la care se ciocnesc două dintre cele mai fundamentale teorii care descriu lumea noastră: teoria cuantică și teoria lui Einstein despre spațiu-timp și gravitație, aka relativitate generală.
Gauri negre și gravitație
Aceste două teorii par incompatibile. Și asta nici măcar nu este o problemă. Ele există în diferite lumi, mecanica cuantică descrie foarte mici, iar relativitatea generală descrie foarte mare.
Cele două teorii se ciocnesc și, într-un fel, una dintre ele se dovedește greșită. În orice caz, rezultă din teorie.
Dar există un loc în univers în care am putea asista de fapt la această problemă și poate chiar rezolvăm-o: marginea unei găuri negre. Aici întâlnim cea mai extremă gravitație. Există însă o singură problemă: nimeni nu a „văzut” vreodată o gaură neagră.
Video promotional:
Ce este o gaură neagră?
Imaginează-ți că toată drama din lumea fizică se desfășoară în teatrul spațiului-timp, dar gravitația este singura forță care schimbă de fapt teatrul în care este jucată.
Forța gravitației controlează universul, dar poate nu este chiar o forță în sensul tradițional. Einstein a descris-o ca o consecință a deformării spațiului-timp. Și poate că nu intră în modelul standard al fizicii particulelor.
Când o stea foarte mare explodează la sfârșitul vieții, partea sa cea mai interioară se prăbușește sub propria sa gravitație, deoarece nu mai există suficient combustibil pentru a menține presiunea împotriva gravitației. La urma urmei, gravitația este încă capabilă să exercite forță, se pare că este așa.
Materia se prăbușește și nicio forță în natură nu poate lăsa această prăbușire.
Peste un timp infinit, o stea se prăbușește într-un punct infinitesimal: o singularitate, sau să o numim gaură neagră. Dar într-un timp finit, desigur, miezul stelar se va prăbuși în ceva cu dimensiuni finite și va avea totuși o masă imensă într-o zonă infinit de mică. Și va fi numit și gaură neagră.
Găurile negre nu sug totul
Remarcabil, ideea că o gaură neagră va aspira inevitabil totul în sine este greșită.
De fapt, indiferent dacă orbitezi o stea sau o gaură neagră formată dintr-o stea, nu contează atât timp cât masa rămâne aceeași. O forță centrifugă de modă veche și impulsul tău unghiular te vor păstra în siguranță și te vor împiedica să cazi.
Abia când vă angajați frâna rachetă pentru a întrerupe rotirea, începeți să cadă spre interior.
Cu toate acestea, de îndată ce începeți să cădeați în găuri negre, veți accelera treptat la viteze din ce în ce mai mari până când veți ajunge în cele din urmă la viteza luminii.
De ce sunt incompatibile teoria cuantică și relativitatea generală?
În momentul de față, totul se desfășoară, deoarece în conformitate cu relativitatea generală, nimic nu se poate mișca mai repede decât viteza luminii.
Lumina este un substrat folosit în lumea cuantică pentru schimbul de forțe și transportul informațiilor către macrocosmos. Lumina stabilește cât de rapid poți conecta cauza și efectul. Dacă vă mișcați mai repede decât lumina, puteți vedea evenimente și puteți schimba lucrurile înainte să se întâmple. Și aceasta are două consecințe:
- În punctul în care atingeți viteza luminii căzând spre interior, trebuie să zburați din acel punct cu o viteză și mai mare, ceea ce pare imposibil. Prin urmare, înțelepciunea fizică convențională vă va spune că nimic nu poate lăsa o gaură neagră prin ruperea acestei bariere, pe care o numim și „orizontul evenimentului”.
- De asemenea, rezultă că principiile de bază ale conservării informațiilor cuantice sunt încălcate brusc.
Dacă acest lucru este adevărat și cum putem modifica teoria gravitației (sau fizica cuantică) sunt întrebări la care mulți fizicieni caută răspunsuri. Și niciunul dintre noi nu poate spune cu ce argumente vom ajunge.
Există găuri negre?
Evident, toată această emoție ar fi justificată numai dacă găurile negre ar exista cu adevărat în acest univers. Deci există?
În secolul trecut, s-a dovedit concludent că unele stele binare cu raze X intense sunt de fapt stele care s-au prăbușit în găuri negre.
Mai mult, în centrele galaxiilor, deseori găsim dovezi ale unor concentrații uriașe de masă întunecată. Acestea ar putea fi versiuni supermasive ale găurilor negre, formate probabil prin fuziunea multor stele și nori de gaz care s-au cufundat în centrul galaxiei.
Dovada este puternică, dar circumstanțială. Valurile gravitaționale ne-au permis cel puțin să „auzim” contopirea găurilor negre, dar semnătura orizontului evenimentului este încă evazivă și nu am văzut niciodată „găuri negre” până acum - sunt pur și simplu prea mici, prea îndepărtate și, în cele mai multe cazuri, prea negre.
Cum arată o gaură neagră?
Dacă te uiți direct într-o gaură neagră, vei vedea întunericul cel mai negru imaginabil.
Dar împrejurimile imediate ale găurii negre pot fi suficient de luminoase, deoarece gazele spirală spre interior - încetinind din cauza rezistenței câmpurilor magnetice pe care le transportă.
Datorită frecării magnetice, gazul este încălzit la temperaturi enorme de câteva zeci de miliarde de grade și începe să emită raze ultraviolete și X.
Electronii ultra-calzi care interacționează cu câmpul magnetic din gaz încep să producă o emisie radio intensă. Astfel, găurile negre pot străluci și pot fi înconjurate de un inel de foc care emite la diferite lungimi de undă.
Inel de foc cu un centru negru-negru
Și totuși, chiar la mijloc, orizontul de eveniment prinde, ca o pasăre de pradă, fiecare foton care se apropie prea mult.
Deoarece spațiul este curbat de uriașa masă a găurii negre, căile de lumină se îndoaie și chiar formează cercuri aproape concentrice în jurul găurii negre, precum serpentine în jurul unei văi adânci. Acest inel al efectului de lumină a fost calculat încă din 1916 de celebrul matematician David Hilbert, la doar câteva luni după ce Albert Einstein și-a completat teoria relativității generale.
După ce a traversat gaura neagră de mai multe ori, unele dintre razele de lumină pot scăpa, în timp ce altele vor ajunge în orizontul evenimentului. Pe această cale complicată de lumină, puteți în mod literal să priviți într-o gaură neagră. Iar „nimic” care îți apare privirea va fi orizontul evenimentului.
Dacă ai face o poză cu o gaură neagră, ai vedea o umbră neagră înconjurată de o ceață strălucitoare de lumină. Am numit această caracteristică umbra gaura neagră.
Remarcabil, această umbră pare a fi mai mare decât s-ar fi așteptat dacă luăm diametrul orizontului evenimentului ca origine. Motivul este că gaura neagră acționează ca un obiectiv uriaș, amplificându-se.
Mediul umbra va fi reprezentat de un „inel foton” minuscul datorită luminii care se învârte în jurul găurii negre aproape pentru totdeauna. În plus, veți vedea mai multe inele de lumină care apar în apropierea orizontului evenimentului, dar care se concentrează în jurul umbrei găurii negre din cauza efectului de lentilare.
Fantezie sau realitate?
Ar putea fi o gaură neagră o invenție reală care poate fi modelată doar pe un computer? Sau îl puteți vedea în practică? Răspuns: este posibil.
Există două găuri negre supermasive relativ apropiate în univers, care sunt atât de mari și apropiate încât umbrele lor pot fi surprinse folosind tehnologia modernă.
În centrul Căii Lactee, sunt găuri negre aflate la 26.000 de ani lumină, cu o masă de 4 milioane de ori mai mare decât Soarele și o gaură neagră în galaxia eliptică gigantică M87 (Messier 87) cu o masă de 3-6 miliarde de mase solare.
M87 este de o mie de ori mai îndepărtată, dar de o mie de ori mai masivă și de o mie de ori mai mare, astfel încât ambele obiecte vor avea aproximativ același diametru al unei umbră proiectată pe cer.
Vedeți un bob de muștar din New York din Europa
Întâmplător, teoriile simple despre radiații prezic că pentru ambele obiecte, radiația generată în apropierea orizontului evenimentului va fi emisă la frecvențe radio de 230 Hz și mai sus.
Majoritatea dintre noi întâlnim aceste frecvențe doar atunci când trebuie să parcurgem un scaner într-un aeroport modern. Găurile negre înoată constant în ele.
Această radiație are o lungime de undă foarte scurtă - de ordinul unui milimetru - care este ușor absorbită de apă. Pentru ca un telescop să observe valuri milimetrice cosmice, acesta trebuie să fie amplasat înalt pe un munte uscat, pentru a evita absorbția radiațiilor din troposfera Pământului.
Practic, avem nevoie de un telescop milimetric care să poată vedea un obiect de dimensiunea unei semințe de muștar în New York, de oriunde în Olanda. Acest telescop va fi de o mie de ori mai ascuțit decât Telescopul spațial Hubble, iar la lungimi de undă milimetrice dimensiunea unui astfel de telescop va fi Oceanul Atlantic sau mai mare.
Un telescop virtual dimensiunea Pământului
Din fericire, nu este necesar să acoperim Pământul cu o singură farfurie radio, deoarece putem construi un telescop virtual cu aceeași rezoluție combinând date de la telescoape din munți diferiți de pe Pământ.
Această tehnică se numește sinteza diafragmei și interferometrie de bază foarte lungă (VLBI). Ideea este destul de veche și dovedită de-a lungul mai multor decenii, dar abia acum a devenit posibilă aplicarea acesteia la frecvențe radio înalte.
Primele experimente de succes au arătat că structurile orizontului evenimentului pot fi cercetate la astfel de frecvențe. Acum există tot ce ai nevoie pentru a realiza un astfel de experiment la scară largă.
Lucrările sunt deja în curs
Proiectul BlackHoleCam este un proiect european pentru imaginea, măsurarea și înțelegerea supremă a găurilor negre astrofizice. Proiectul european face parte dintr-o colaborare globală - consorțiul Event Horizon Telescope, care include peste 200 de oameni de știință din Europa, America, Asia și Africa. Împreună vor să facă prima poză cu o gaură neagră.
În aprilie 2017, au observat centrul galactic și M87 cu opt telescoape pe șase munți diferiți din Spania, Arizona, Hawaii, Mexic, Chile și Polul Sud.
Toate telescoapele au fost echipate cu ceasuri atomice precise pentru a sincroniza cu exactitate datele lor. Oamenii de știință au înregistrat mai multe petabyte de date brute, datorită condițiilor meteo surprinzător de bune din întreaga lume la acea vreme.
Fotografia unei găuri negre
Dacă oamenii de știință reușesc să vadă orizontul evenimentului, vor ști că problemele care apar la intersecția dintre teoria cuantică și relativitatea generală nu sunt abstracte, ci foarte reale. Poate că atunci se pot rezolva.
Acest lucru se poate realiza prin obținerea de imagini mai clare a umbrelor găurilor negre sau prin urmărirea stelelor și a pulsarelor în drumul lor în jurul găurilor negre, folosind toate metodele disponibile pentru studiul acestor obiecte.
Poate că găurile negre vor deveni laboratoarele noastre exotice în viitor.
Ilya Khel
