Понимание истинной природы чёрных дыр
Posted on January 25, 2024 • 8 minutes • 1552 words • Other languages: English
Был ли Дж. Роберт Оппенгеймер жертвой притяжения чёрной дыры? Недавние публикации по космологии могут навести на такую мысль, учитывая их пропуск его имени в индексах. Эти книги подробно изучают сложные теории и математику чёрных дыр, но не уделяют должного внимания ему. Тем не менее, именно Оппенгеймер, известный руководитель группы Лос-Аламоса, ответственной за атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, впервые предложил концепцию этих необычных космических явлений как прямое следствие теории относительности Эйнштейна. К концу 1938 года, совместно с Джорджем Волковым, Оппенгеймер вывел размеры и массы нейтронных звёзд. Это исследование привело его к вере в неизбежный коллапс массивных звёзд в конце их жизни. Он размышлял о последствиях такого коллапса.
Оппенгеймер привлёк талантливого и самостоятельно мыслящего студента из Калифорнийского технологического института, Хартленда Снайдера, для помощи в сложных математических расчётах. Кип Торн, ведущий эксперт по чёрным дырам, подробно описал вклад Оппенгеймера в своей книге 1994 года “Чёрные дыры и временные вихри”, несмотря на то, что был протеже соперника Оппенгеймера, Джона А. Уилера. Торн отметил сложные расчёты, которые Снайдер выполнил под руководством как Оппенгеймера, так и Ричарда Толмана. Эти проблемы оставались нерешёнными до появления суперкомпьютеров в 1980-х годах. Торн отметил необходимость создания упрощённой модели имплодирующей звезды для того, чтобы продвинуться вперёд и применить физические законы. Снайдер впечатляюще сформулировал и решил эти уравнения. Благодаря этим формулам физики могли понять различные аспекты имплозии, будь то снаружи, изнутри или с поверхности звезды.
Многие в физическом сообществе боролись с пониманием последствий уравнений. С внешней точки зрения, имплозия казалась вечно замороженной, но наблюдателю на звезде это остановление было незаметно. Это двойное восприятие предполагало беспрецедентное искажение времени, далеко выходящее за рамки теории искривления времени Эйнштейна или эффекта наблюдателя в квантовой механике и принципе неопределённости Гейзенберга. Хотя эти концепции были приняты на субатомном уровне, их применение в более крупном масштабе казалось слишком радикальным для большинства американских физиков.
Статья 1939 года Оппенгеймера и Снайдера не была первой на эту тему. За десять лет до этого молодой физик Субраманьян Чандрасекар выдвинул гипотезу, что звёзды с ядрами, превышающими в 1,4 раза массу Солнца, не могут превратиться в белых карликов, а вместо этого будут продолжать сжиматься под действием собственной гравитации. Примерно в то же время российский физик Лев Давидович Ландау пришёл к аналогичному выводу. Обоим позже была присуждена Нобелевская премия по физике 1983 года за их пионерскую работу. Значительная задержка в получении этого признания указывает на прорывной характер их теорий.
В 1928 году сэр Артур Эддингтон, известный своим подтверждением теории Эйнштейна о искривлении пространства во время солнечного затмения 1919 года, решительно выступил против идей Чандрасекара, призывая к естественному закону, запрещающему такое поведение звезд. Аналогично, статья Оппенгеймера/Снайдера изначально встретила скептицизм со стороны Джона А. Уилера и его коллег в США. Затем начало Второй мировой войны переключило внимание американских физиков на разработку атомной бомбы.
После войны, напряжение между Оппенгеймером и Уилером, оба из Института перспективных исследований в Принстоне, возросло, особенно из-за создания водородной бомбы. Изначально Оппенгеймер сопротивлялся этому по моральным и практическим соображениям, позже приняв только практическую сторону вопроса. Уилер, ключевая фигура в разработке водородной бомбы, резко контрастировал с позицией Оппенгеймера. В 1950-х годах, на фоне маккартизма, допуск Оппенгеймера к секретной информации был скандально аннулирован, что бросило тень на его карьеру и возможно способствовало его недооценке в обсуждениях черных дыр.
В конечном итоге полное принятие Уилером теории черных дыр, даже придумывание этого термина в 1969 году, затмило вклад Оппенгеймера. Интересно, что в 1967 году “Звездный путь” использовал термин “черная звезда”, почти предвосхищая номенклатуру Уилера, как отметил Лоуренс М. Краусс в книге “Физика ‘Звездного пути’”.
Общественный интерес к черным дырам был значительным, возможно, благодаря выразительному наименованию Уилера и таинственной природе этих космических объектов. В отличие от других звездных объектов, черные дыры захватывают воображение публики, подобно историческому очарованию комет. Этот интерес может происходить от внутренней сложности понимания черных дыр, делая их таинственным холстом для индивидуального толкования.
Кип Торн в своей книге 1994 года развил традиционное определение черных дыр, описывая их как объекты, в которые может входить материя, но из которых она никогда не может выйти. Несмотря на его осторожность, обсуждения Торна предполагают еще более странные аспекты черных дыр, отражая продолжающуюся загадку, которую они представляют для физиков.
Давайте рассмотрим фундаментальный вопрос: Каков размерный диапазон черной дыры?
Теоретически, любой объект может превратиться в черную дыру. Это включает в себя небесные тела, такие как звезды и луны, искусственные сооружения, животных, индивидуумов или даже мелкие объекты. Ключевым требованием является сжатие объекта настолько, чтобы усилить его гравитационное притяжение до такой степени, что это искривляет пространство и улавливает свет, в результате чего образуется черная дыра. Для сравнения, человек, превратившийся в черную дыру, был бы невероятно мал, в миллиарды раз меньше электрона. Если бы Земля стала черной дырой, ее размер уменьшился бы до размеров меньше мяча для настольного тенниса. Солнце, став черной дырой, имело бы радиус примерно 2,4 километра (около мили и половины).
Однако, реалистично говоря, ни Солнце, ни кто-либо из нас вряд ли станут черными дырами из-за недостаточной массы. Некоторые звезды, однако, достаточно массивны, чтобы в конечном итоге превратиться в черные дыры. Тимоти Феррис в книге “Все на свете” поясняет, что существование звезды - это борьба между гравитацией, которая стремится сжать звезду, и теплом из ядра, которое толкает наружу. Звезды испытывают колебания из-за этого взаимодействия противоположных сил, регулируемого тонким обратным связыванием между теплом и гравитацией. Этот механизм позволяет звездам, таким как наше Солнце, которое находится на полпути своего 10-миллиардного срока жизни, существовать. Скорость потребления топлива в ядре звезды ускоряется с ее массой, что приводит к более коротким срокам жизни для больших звезд.
Когда равновесие между теплом и гравитацией звезды нарушается, коллапс становится неизбежным. Звезды с массой до 1,4 массы нашего Солнца превращаются в белых карликов, размером с Землю, но невероятно плотных, ограниченных принципом Паули, который регулирует поведение электронов. Более крупные звезды подвергаются дальнейшему коллапсу, часто приводящему к образованию нейтронных звезд, обычно меньше 16,1 километра в диаметре. Эти звезды, заполненные нейтрально заряженными субатомными частицами, могут вращаться быстро, до тысячи раз в секунду. Если у них есть магнитное поле, они излучают сильные, пульсирующие радиосигналы, за что их называют “пульсарами”.
Более крупные звезды из-за их огромной массы могут превысить пороги, которые обычно предотвращают дальнейший коллапс у белых карликов или нейтронных звезд, приводя к образованию черных дыр. Определяющей чертой черной дыры является ее гравитационное притяжение настолько сильное, что даже свет не может уйти. Вблизи черной дыры граница, известная как горизонт событий, отмечает место, где традиционные гравитационные принципы заменяются теми, которые уникальны для черных дыр. По сути, черные дыры являются сингулярностями, регионами, где стандартные физические законы не применяются. Теории о внутренней механике черных дыр сильно различаются, от растяжения объектов в удлиненные формы до гипотетических путешествий в альтернативные вселенные. Несмотря на многочисленные теории и сложные уравнения, истинная природа того, что происходит внутри черной дыры, остается неизвестной.
Понятие черных дыр приобрело доверие после того, как Джон Уилер, известный физик, поддержал эту концепцию. Это привело к всплеску теоретических исследований ведущих космологов, особенно в период с 1970-х по 1990-е годы. Несмотря на множество теорий, эмпирические доказательства существования черных дыр отсутствовали.
Вызов для астрономов заключается в неотличимости черных дыр; их присутствие предполагается через воздействие на окружающие небесные тела. Технологические достижения, особенно улучшения космического телескопа Хаббл в 1994 году и разработка рентгеновских телескопов, позволили более прямым наблюдениям. К концу 1990-х и началу 2000-х годов накопившиеся доказательства поддержали многие теории о черных дырах, заставив большинство космологов принять их существование. Новые открытия часто приводят к столь же многим вопросам, как и ответам.
Cyg X-1, выявленный как потенциальная черная дыра в 1974 году, был частью двойной системы с уникальными характеристиками. Одна звезда была видима в оптическом диапазоне, но не в рентгеновских лучах, что предполагало, что она вращается вокруг массивного, невидимого спутника. Этот спутник, слишком плотный, чтобы быть нейтронной звездой, подозревался в том, что он является черной дырой. Эта гипотеза привела к дружеской ставке между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. К 1990-м годам накопившиеся доказательства укрепили позицию Торна, приведя к шутливому признанию Хокинга.
Cyg X-1 позже был подтвержден как черная дыра на основании сочетания оптических и рентгеновских данных. Кроме того, в конце 1990-х годов наблюдательные данные начали указывать на два различных типа черных дыр: похожие по массе на двойные звезды, как Cyg X-1, и сверхмассивные черные дыры с массами в миллиарды раз превышающими массу солнца. Эти сверхмассивные черные дыры часто обнаруживались в центрах галактик, идентифицируемые по движению газовых дисков под влиянием их гравитационного притяжения.
Исследования показали, что в больших галактиках обычно находятся большие черные дыры в их центрах. Более того, эти сверхмассивные черные дыры в основном находились в эллиптически формированных галактиках с плотным центральным скоплением звезд. Напротив, галактики без такого утолщения, казалось, лишены черных дыр. Млечный Путь, с его скромным центральным утолщением, содержит меньшие черные дыры, каждая из которых в несколько раз превышает массу солнца. В любом случае, масса черной дыры, как правило, составляет около 0,2% массы центрального утолщения ее галактики.
Эти данные побудили космологов теоретизировать, что черные дыры могут играть центральную роль в формировании галактик. Дуглас Ричстоун из Мичиганского университета, обнаружив три сверхмассивные черные дыры, предположил в январе 2000 года о взаимном регулировании массы черных дыр и их хозяйских галактик. Эта идея о масштабном взаимном влиянии, похожем на квантовое взаимодействие между электронами, одновременно смущает и заинтриговывает исследователей. Дебаты о том, формируются ли сначала черные дыры или галактики, или их развитие взаимозависимо, продолжаются.
В 1939 году статья Оппенгеймера/Снайдера, предполагающая существование черных дыр, встретила скептицизм ведущих космологов. Со временем научное сообщество постепенно признало существование черных дыр, что было окончательно подтверждено к концу 1990-х годов благодаря доказательствам от телескопа Хаббл. Несмотря на это признание, черные дыры продолжают быть источником новых загадок в космологической области, обещая как увеличение понимания, так и дальнейшие сложности в раскрытии работы Вселенной.
Поделиться
Теги
Счетчики
