дыра - Blog Posts
Нобелевская премия по физике 2020 присуждена за черные дыры
Победители показали, что черные дыры могут существовать, а затем помогли продемонстрировать, что они действительно существуют.
Исследования, выявившие самые загадочные объекты в космосе - черные дыры. Теперь ученые, которые помогли доказать свое существование, только что получили высшую награду в науке - Нобелевскую премию.
Черные дыры - массивные объекты. Их гравитационное поле настолько сильное, что ничто не может избежать его, даже свет. В своих центрах черные дыры скрывают загадочную зону, называемую сингулярностью. Здесь законы физики теряют смысл.
Без сомнения, эти предметы странные. Трое ученых, которые помогли раскрыть подробности о черных дырах, получили Нобелевскую премию по физике этого года. Роджер Пенроуз работает в Оксфордском университете в Англии. Райнхард Гензель работает в Гархинге, Германия, в Институте внеземной физики Макса Планка и в Калифорнийском университете в Беркли. Андреа Гез из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Шведская королевская академия наук объявила о своем выборе 6 октября.
Черные дыры «действительно представляют собой нарушение нашего физического понимания законов физики», - говорит Гез. Изучение таких экзотических объектов «продвигает наше понимание физического мира», - отметила она в телефонном разговоре.
Когда впервые были предложены черные дыры, ученые не были уверены в их существовании. Идея их возникла из общей теории относительности Альберта Эйнштейна. В конце концов Пенроуз провел математические вычисления, которые показали, что черные дыры физически возможны. За свой вклад Пенроуз получит половину приза в размере 10 миллионов шведских крон (более 1,1 миллиона долларов).
Другая половина будет поделена между Гензелем и Гезом за их работу, показывающую, что один из этих темных объектов скрывается в центре нашей галактики, Млечном Пути.
«В течение многих лет физики ставили под сомнение саму идею черной дыры, - сказал Дэвид Хэвиленд. В этом году он возглавлял Нобелевский комитет по физике. Во время объявления приза он отметил, что он «отмечает ... открытие одного из самых экзотических объектов в нашей Вселенной».
Пенроуз изобрел стратегии, позволяющие справиться со сложностями черных дыр. Его работа показала, что черные дыры - это не просто математические идеи, предложенные теорией Эйнштейна. Его математика показала, что они могут образовываться в условиях, которые могут существовать во Вселенной. В 1965 году он опубликовал знаменательную статью в Physical Review Letters. В нем описывалось, как материя может схлопнуться и образовать черную дыру. В его центре также была бы особенность.
По его словам, некоторые мысли Пенроуза пришли к нему во время прогулки по лесу. «Я думал об этих вопросах, пока шел ... думал о том, каково было бы оказаться в этой ситуации, когда весь этот материал рушится вокруг тебя, и что произойдет».
Начиная с 1990-х годов, Гез и Гензель возглавляли группы, которые использовали телескопы для наблюдения за центром Млечного Пути. Они измеряли орбиты звезд, движущихся вокруг сердца галактики. Обе группы обнаружили, что эти звезды движутся так быстро, что только невероятно компактный и массивный объект, такой как гигантская черная дыра, может объяснить их траектории. Эта работа, продолжавшаяся с тех пор десятилетия, помогла подтвердить существование черных дыр. Они также помогли подтвердить предсказания общей теории относительности.
Центральная черная дыра Млечного Пути называется Стрелец A *. Его масса в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Ученые теперь считают, что такие сверхмассивные черные дыры находятся в центре большинства больших галактик.
Гез - только четвертая женщина, получившая Нобелевскую премию по физике. Первой была Мария Кюри в 1903 году. После нее были Мария Гепперт Майер в 1963 году и Донна Стрикленд в 2018 году.
Может ли рябь в пространстве-времени указывать на червоточины?
Такие туннели в ткани космоса могут появиться из-за необычных гравитационных волн.
Проиллюстрированная здесь червоточина - это туннель в пространстве-времени, который соединяет разные части Вселенной. Ученые сообщают, что черная дыра, вращающаяся вокруг кротовой норы, будет излучать особую модель гравитационных волн - уникальную для кротовых нор.
Детекторы гравитационных волн уже обнаружили загадочные черные дыры. Но то, что они обнаруживают дальше, может быть еще более странным: червоточины.
Физики давно подозревали, что могут существовать червоточины. Если кротовые норы существуют, снаружи они могут казаться похожими на черные дыры. Но объект, который упадет в черную дыру, окажется внутри нее. Напротив, все, что попадает в червоточину, должно иметь возможность пройти прямо на другую сторону.
Сила, которую мы воспринимаем как гравитацию, на самом деле является результатом искривления пространства-времени.
Это может быть трудно изобразить, поэтому подумайте вот о чем: планеты вращаются вокруг Солнца, потому что Солнце делает форму чаши в ткани космоса. (Планеты немного похожи на шарики, вращающиеся вокруг и вокруг этой чаши.) Черные дыры искривляют пространство-время в пропасти, настолько глубокие, что ничто не может уйти. Но пространство-время может также принимать другие причудливые формы, например туннели.
Эти туннели, или червоточины, будут предлагать короткий путь между двумя удаленными точками в пространстве и времени или между двумя разными вселенными.
Пространство-время может искривляться, но оно также может колебаться. Эта рябь называется гравитационными волнами.
Ученые знают, как обнаружить эти небольшие толчки, когда две черные дыры кружатся вокруг друг друга и сталкиваются. Также могут быть узоры гравитационных волн, которых они еще не видели. Черная дыра, переходящая в кротовую нору, должна создавать в пространстве-времени странную рябь. А с помощью правильных инструментов некоторые обсерватории могли бы это уловить.
Таков вывод нового отчета от 17 июля на arXiv.org. Волны от пары черных дыр-червоточина будут мигать,
когда черная дыра проходит через червоточину, а затем снова выходит наружу.
Но настоящие ли они?
Безусловно, свидетельств существования червоточин пока нет.
«Это, конечно, спекулятивные предположения, с большой буквы», - говорит Уильям Габелла. Он физик из Университета Вандербильта в Нашвилле, штат Теннеси. Однако он добавляет, что если червоточины действительно существуют, у исследователей должна быть возможность их обнаружить. Для этого нужны только подходящие условия и детектор гравитационных волн.
Габелла - глава команды, которая задалась вопросом, как может выглядеть рябь от червоточины.
Эта команда рассмотрела черную дыру с массой в пять раз больше Солнца. Они представили его вращающимся вокруг червоточины на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли. Они подсчитали, что по мере того, как черная дыра вращается вокруг червоточины, она должна начать закручиваться внутрь. Это высвободит гравитационные волны. Сначала это выглядело бы как гравитационные волны от двух черных дыр. Волновой рисунок, называемый чириканьем, со временем будет увеличиваться по частоте. Но когда он достигнет центра или «горла» червоточины, черная дыра пройдет сквозь нее.
Что такое волны и длины волн
Затем исследователи подумали, что произойдет, если черная дыра появится в далеком царстве. Например, он может появиться в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны в первой вселенной внезапно прекратятся. Во второй вселенной черная дыра выстрелила бы наружу, прежде чем снова развернуться. Затем она прошла бы обратно через червоточину и снова в первую вселенную.
Когда черная дыра вернется, она сначала выйдет из червоточины по спирали. Это может вызвать «анти-чириканье» - картину гравитационных волн, противоположную чириканью, - прежде чем снова погрузиться в чириканье.
Со временем черная дыра продолжит прыгать между двумя вселенными. Это должно вызвать повторяющиеся всплески гравитационных волн. Между ними будут периоды молчания. Как только черная дыра потеряет достаточно энергии из-за этих гравитационных волн, ее путешествие закончится, когда она поселится в горле червоточины.
Все зависит от этих детекторов щебета
«Вы не можете воспроизвести этот [узор] с помощью двух черных дыр», - говорит Деян Стойкович. «Так что это явный сигнал червоточины». Физик из Университета Буффало в Нью-Йорке, Стойкович не участвовал в новом исследовании. В конце концов, говорит он, волны будут настолько необычными, что их узор «должен выступать [наружу], как больной палец».
Общая теория относительности описывает гравитацию как результат искривления пространства-времени. И эта теория предполагает, что червоточины возможны. Но на самом деле ее обнаружение означало бы, что существует также какой-то странный тип материи, который физики не понимают. Чтобы горло червоточины не разрушилось, какое-то вещество с отрицательной массой должно поддерживать его в открытом состоянии. Прямо сейчас ни один известный материал не может этого сделать.
Сейчас существует несколько детекторов гравитационных волн. Advanced LIGO состоит из двух американских детекторов. (Его аббревиатура расшифровывается как лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн.) Другой детектор в Италии известен как Advanced Virgo. И Advanced LIGO, и Advanced Virgo обнаруживают рябь от черных дыр или от плотных звездных трупов, известных как нейтронные звезды.
Ученые теперь умеют замечать такие слияния. Их подтвердили более десятка. Еще больше жду подтверждения. Но в какой-то момент физикам нужно будет сосредоточиться на более необычных возможностях, - говорит Витор Кардозу. Он физик в Instituto Superior Técnico в Лиссабоне, Португалия. Кардосо говорит: «Нам нужно искать странные, но волнующие сигналы».
когда черная дыра проходит через червоточину, а затем снова выходит наружу.
Но настоящие ли они?
Безусловно, свидетельств существования червоточин пока нет.
«Это, конечно, спекулятивные предположения, с большой буквы», - говорит Уильям Габелла. Он физик из Университета Вандербильта в Нашвилле, штат Теннеси. Однако он добавляет, что если червоточины действительно существуют, у исследователей должна быть возможность их обнаружить. Для этого нужны только подходящие условия и детектор гравитационных волн.
Габелла - глава команды, которая задалась вопросом, как может выглядеть рябь от червоточины.
Эта команда рассмотрела черную дыру с массой в пять раз больше Солнца. Они представили его вращающимся вокруг червоточины на расстоянии 1,6 миллиарда световых лет от Земли. Они подсчитали, что по мере того, как черная дыра вращается вокруг червоточины, она должна начать закручиваться внутрь. Это высвободит гравитационные волны. Сначала это выглядело бы как гравитационные волны от двух черных дыр. Волновой рисунок, называемый чириканьем, со временем будет увеличиваться по частоте. Но когда он достигнет центра или «горла» червоточины, черная дыра пройдет сквозь нее.
Что такое волны и длины волн
Затем исследователи подумали, что произойдет, если черная дыра появится в далеком царстве. Например, он может появиться в другой вселенной. В этом случае гравитационные волны в первой вселенной внезапно прекратятся. Во второй вселенной черная дыра выстрелила бы наружу, прежде чем снова развернуться. Затем она прошла бы обратно через червоточину и снова в первую вселенную.
Когда черная дыра вернется, она сначала выйдет из червоточины по спирали. Это может вызвать «анти-чириканье» - картину гравитационных волн, противоположную чириканью, - прежде чем снова погрузиться в чириканье.