Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре

Чем планковские звезды отличаются от черных дыр?

Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре

Независимо от количества доказательств в пользу существования черных дыр, они остаются в пределах теоретической физики. Из-за своих свойств — структуры, отсутствия излучаемого света, места нахождения и принципа работы — черные дыры остаются в тени.

Но далеко не все ученые, в том числе и Стивен Хокинг, считают, что традиционные черные дыры обязательно должны остаться в рамках современной физики (впрочем, иметь идеальные математические решения они могут) — некоторые идут дальше и заявляют, что нам стоит заменить их одной из множества альтернатив.

Некоторые альтернативы включают гравастары, гибридные червоточины и кварковые звезды.

В прошлом году два астрофизика — Карло Ровелли (Университет Тулон, Франция) и Франческа Видотто (Университет Рэдбаунд в Нидерландах) — представили еще одну: теоретический объект под названием планковская звезда (звезда Планка). Она не заменяет стандартизованную модель черных дыр как таковую, она ее переосмысливает.

Черная дыра обыкновенно имеет две основные составляющие: горизонт событий и саму сингулярность. Горизонт событий довольно прост: это точка, преодолевая которую, ничто не может покинуть черную дыру. Сингулярность (сердце черной дыры), с другой стороны, понять намного сложнее.

Кривизна пространства-времени в этой бесконечно плотной точке становится бесконечной. В результате мы не можем логически осмыслить, что происходит внутри сингулярности. Даже хуже: то, к чему мы приходим, нарушает сразу несколько универсальных правил или законов.

Самая большая проблема связана с манерой обработки информации черной дырой — информации, которая описывает квантовые свойства всего, что поглотила черная дыра.

Физики говорят, что информация не может — не должна — быть уничтожена, но кажется, что именно это происходит, когда ее засасывает неизбежная сингулярность.

Эта загадка, которая называется информационным парадоксом черной дыры, чрезвычайно важна, но к ней мы еще вернемся.

Что такое планковская звезда?

Звезда Планка полагается на так называемую гипотезу «большого отскока»; согласно этой теории, вселенная приспособилась к бесконечному циклу смерти и возрождения.

Другими словами, Большой Взрыв необязательно был началом всего — только этой версии вселенной.

До нашей существовала другая вселенная: после чрезмерного расширения она сжалась, коллапсировала и начала снова (что-то вроде реинкарнации, только в космических масштабах).

Считается, что этому отскоку предшествует сжатие, такая противоположность Большому Взрыву, когда расширение вселенной останавливается в определенный момент — в частности, когда средняя плотность пространства-времени становится критичной. После начала коллапса, вся существующая материя должна стянуться в сверхплотное состояние (возможно, что-то похожее на сингулярность черной дыры).

Отскок начнется, как только материя сожмется до планковских масштабов; по крайней мере так говорит теория. Ученые считают, что если мы пересмотрим последствия возможного большого сжатия, мы в теории можем пересмотреть и поведение черных дыр.

Что, если вместо ядра сверхновой, коллапсирующего до бесконечно плотной точки (сингулярности) — согласно нашему предположению о том, так образуются черные дыры звездной массы, — этот коллапс приостанавливается «квантовым давлением», которое похоже на то, что «мешает электрону упасть на ядро атома».

Эта идея сама по себе не так уж и абсурдна. В конце концов, особое давление — вырождение нейтронов — может остановить коллапс звезды на определенном пороге массы (оставив позади нейтронные звезды или пульсары), в то время как вырождение электронов выполняет ту же задачу для звезд весом с наше Солнце.

В дополнение к этому, квантовый эффект, предотвращающий коллапс материи до бесконечной плотности, как считают ученые, в больших масштабах будет означать, что отскок «не происходит, когда вселенная достигает планковских размеров, как ожидалось ранее; он происходит, когда энергетическая плотность материи достигает планковской плотности. Вселенная «отскакивает», когда энергетическая плотность материи достигает планковских масштабов, наименьших возможных размеров в физике».

«Другими словами, квантовая гравитация может стать актуальной, когда объем Вселенной будет на 75 порядков больше объема Планка», — пишут авторы работы, опубликованной в блоке arXiv.

В поисках звезды планка

Конечно, если один из таких «объектов» существует, он будет невообразимо мал (даже по сравнению с атомом), с диаметром 10-10 сантиметров. И все же он будет на 30 порядков больше планковской длины (которая равна 1,61619926 х 10-35 метров).

Что касается того, как планковская звезда будет выглядеть для наблюдателя, и это правда интересно, особенно будет проявляться фактор замедления времени.

Время, по мере своего движения, идет не одинаково для всех и каждого. Оно течет по-разному на поверхности Земли и на низкой околоземной орбите, хотя эффект незначителен.

Скорость, с которой тикает время, должна сильно меняться вокруг массивных звезд и планет, а также возле черных дыр.

Прежде чем свет преодолевает горизонт событий, он начинает ощущать замедление времени. Мы не можем быть уверены в этом — мы ведь даже не знаем, что происходит внутри черных дыр — но некоторые из лучших умов мира предполагают, что там время почти полностью останавливается. Но снаружи этого не заметить.

Если это сложно понять, и если вы видели фильм «Интерстеллар», вспомните эпизод с водным миром. (Осторожно, спойлеры).

Из-за близости к Гаргантюа — черной дыре, червоточине, через которую прошла команда — час для людей на поверхности планеты равнялся десяткам лет в других местах.

Из-за этого, и несмотря на то, что первый человек высадился на эту планету за десять лет до этого, вполне возможно, что женщина-астронавт пробыла там всего пару часов, пока не прибыла вторая группа. Ее маяк был активен, но передачи поступать перестали.

Даже так: любая планковская звезда может жить лишь мгновение перед «отскоком»: примерный «отрезок времени, который нужен свету, чтобы ее преодолеть». Но для внешнего наблюдателя она будет жить миллионы или даже миллиарды лет… продолжая существовать наряду с самой черной дырой.

Проблемой меньше

К этому моменту вы начинаете понимать, что именно видят физики в этой сугубо теоретической модели. В конечном счете она возвращается обратно к парадоксу черных дыр и информации. По мнению ученых, если мы заменяем сингулярность планковской звездой, этот парадокс перестает быть проблемой.

Они утверждают, что через время X черные дыры, которые медленно теряют массу в течение своей жизни вследствие постепенного выброса излучения Хокинга, в конечном счете сталкиваются с расширением планковских звезд в своих ядрах: в какой-то момент вся информация, которую она хранит, будет освобождена.

Что еще? Ученые говорят, что звезды Планка могут «производить детектируемый сигнал, квантово-гравитационного происхождения, с длиной волны порядка 10-14 см». Другими словами, может быть способ найти одну такую или хотя бы сузить диапазон поиска, просматривая определенные гамма-лучевые сигнатуры. Возможно, мы уже обнаружили такую сигнатуру, просто не знаем об этом.

Источник: https://Hi-News.ru/space/chem-plankovskie-zvezdy-otlichayutsya-ot-chernyx-dyr.html

Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре

Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре

Определение 1

Планковская звезда – это гипотетический космический объект, поддерживаемый ядерным синтезом, имеющий плотность энергии, близкую к соответствующей планковской плотности

$(\rho_pE \approx 4,59\bullet 10{113} \frac{Дж}{м3}$).

Планковская звезда возникает в том случае, когда звезда, совершающая коллапс, приходит к плотности энергии равной $\rho_pE$.

Замечание 1

Плотностью энергии называют количество энергии, которое содержится в единице пространственной области. Плотность планковской энергии – это огромное число. Предполагают, что такое количество энергии могло бы быть во Вселенной в момент, следующий за Большим Взрывом.

Планковская звезда считается космическим объектом очень компактным.

Смысл введения гипотезы о звезде Планка

Очень интересным вопросом в космологии считается вопрос о том, что представляет собой черная дыра внутри. Эта проблема считается одновременно эмпирической и теоретической проблемой.

Имеющиеся на сегодняшний день теории о черных дырах ведут к целой системе противоречий.

Так, например, если черные дыры могут испаряться в соответствии с гипотезой Хокинга, то любая информация, которая попала внутрь черной дыры, утрачивается навсегда, а квантово-механические теории отказываются работать, если их применяют к сингулярности черной дыры.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В одной из теорий предполагается, что цент черной дыры не является сингулярностью, имеющую бесконечную плотность и не имеющую измерений в пространстве, центр черной дыры – это звезда Планка.

Так, гипотеза о звезде Планка изначально была нацелена на решение информационного парадокса черной дыры.

Замечание 2

Полагая, что в центре черной дыры локализована сингулярность, с черной дырой связывается неприятный эффект при котором информация, попадающая внутрь этого объекта уничтожается, при этом нарушаются законы сохранения.

Если внутри черной дыры находится звезда Планка, которая имеет размер, больший Планковской длины, тогда имеется пространство для помещения всей информации, которая падает во внутрь черной дыры. Тогда эта информация может быть закодирована в Планковской дыре, следовательно, потери информации нет.

Гипотеза о нахождении в центе черной дыры звезды, поможет в:

  • решении проблемы исчезновения информации;
  • разъяснении вопросов, связанных с горизонтом событий черной дыры;
  • решении вопроса о космической цензуре;
  • понимании, что такое излучение Хокинга.

Особенности звезды Планка

Как уже было сказано, звезда планка малый объект с огромной плотностью энергии вещества. Можно допустить что:

  • в предлагаемых условиях пространство временной континуум и гравитация будут квантоваться;
  • если звезда коллапсируя достигла планковской плотности энергии, то возникнет сила, которая станет противодействовать дальнейшему схлопыванию звезды.

Иначе говоря, при возможности квантования накопление массовой энергии внутри звезды Планка не может идти далее, если достигнут предел плотности энергии, то есть он равен $\rho_pE$, так как иначе нарушится принцип неопределенности для пространства – времени.

Следует различать звезду Планка и Планковскую черную дыру. У звезды антигравитационные силы появляются, когда достигнута планковская плотность энергии, а не длина Планка.

Эти силы антигравитации достаточно велики, они способны остановить процесс коллапса звезды, если возникает черная дыра, причем раньше момента появления истиной сингулярности в середине объекта.

В соответствии со специальной теорий относительности релятивистские эффекты крайне большой гравитации вызывают существенное замедление времени.

Если учитывать эффект замедления времени, то если Планковская звезда будет иметь звездную массу, то обращение коллапса вспять займет больше времени, чем современный возраст Вселенной.

Это означает, что черная дыра, обладающая массой звезды, для современного наблюдателя будет стабильной.

Черная дыра Планка

Гипотезы ученых говорят о том, что размеры черных дыр очень различны. Часть из них могут быть меньше, чем элементарные частицы. Малые черные дыры очень нестабильные объекты: часть из них разрушают квантовые эффекты, а черные дыры наименьших размеров взрываются вскоре после возникновения.

С. Хокинг изучал механизм возникновения черных дыр на ранних этапах формирования Вселенной (первичные черные дыры). Ученый выяснил, что сразу после Большого Взрыва плотность материи была больше, чем ядерная.

Известные нам физические законы допускают плотность вещества не более, чем $\approx 5,1 \bullet 10{96} \frac{кг}{м3}$ (данная плотность называется планковской).

Вещество такой плотности создает гравитацию столь большую, что квантово-механические флуктуации проводят деструктуризацию пространства-времени. При этом появляется возможность появления черных дыр:

  • Размер этих дыр в поперечном сечении примерно равен $10{-35}м$ (длина Планка).
  • Масса этих черных дыр $10{-8}$ кг (планковская масса).
  • Сечение взаимодействия панковских черных дыр примерно равно $10{-66}см2$.

Предполагается, что взрывы малых черных дыр, которые произошли на ранних этапах формирования Вселенной, можно наблюдать в наше время.

В недавнее время ученые выдвинули гипотезу о том, что микроскопические черные дыры могут возникать при ударах друг о друга частиц. Энергия для возникновения черных дыр при соударениях частиц должна быть очень велика. Предположительно эти черные дыры могут появляться в Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) или при взаимодействии космических лучей и атомов в верхних атмосферных слоях Земли.

Имеются предположения о том, что планковская черная дыра — это конечный продукт эволюции черных дыр, она является стабильной и не излучает (имеется в виду излучение Хокинга).

Малое сечение взаимодействия таких черных дыр может быть основой того, что они являются основной материей во Вселенной. Они могут быть той темной материей, которую признали существующей в космологии.

Самым перспективным способом поиска панковских черных дыр считают регистрацию продуктов распада этих объектов.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/gipoteza_o_plankovskoy_zvezde_i_chernoy_dyre/

«Вселенная молчит»: астрофизик Сергей Попов — о чёрных дырах, гравитационных волнах и внеземных цивилизациях

Гипотеза о планковской звезде и чёрной дыре

Изучение чёрной дыры в центре галактики Messier 87 и получение её радиоизображения — это пилотный проект, который позволит узнать, как устроены другие галактики.

Об этом в беседе с RT заявил ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ Сергей Попов.

Он также рассказал о главных событиях в астрофизике за последние несколько десятилетий, о технологиях наблюдения за космическими объектами и о том, почему следы внеземных цивилизаций до сих пор не обнаружены.

— Сергей Борисович, как была сделана первая фотография чёрной дыры? 

— Это не обычная фотография, а радиоизображение чёрной дыры в галактике Messier 87 в созвездии Девы. Оно было получено с помощью нескольких радиотелескопов, разбросанных по всему миру. Важной составной частью данного проекта было компьютерное моделирование.

— Можно ли сказать, что до получения этого изображения само существование чёрных дыр было лишь теорией?

— Чёрная дыра — очень хорошая консервативная гипотеза, которая позволяет объяснить существование ряда астрономических объектов. Сама природа чёрной дыры такова, что очень трудно доказать, что это именно она, а не ещё более экзотический объект, который на неё похож.

В течение десятилетий люди получали различные данные, которые позволяли отбрасывать другие гипотезы или существенно их ограничивать.

Получение изображения — это ещё один важный аргумент в пользу гипотезы чёрной дыры, прекрасный научный результат, самый сильный со времён первой регистрации гравитационно-волнового всплеска от слияния чёрных дыр. 

Также по теме

Путешествие в бесконечность: физики нашли способ выжить в чёрной дыре

Человек теоретически мог бы выжить в чёрной дыре, считают учёные. Российские физики подтвердили RT выводы коллег из Калифорнийского…

— Расскажите о самом объекте. Как он был выбран? Насколько известно, это одна из самых массивных чёрных дыр во Вселенной.

— Действительно. Учёные наблюдали за двумя сверхмассивными чёрными дырами в центре нашей галактики и в M87. В астрономических наблюдениях для нас всегда важен не линейный, а угловой размер объекта — насколько это большая «дыра» на небе. Чёрные дыры устроены просто: чем больше масса, тем больше размер.

Например, если теоретически сжать Солнце до состояния чёрной дыры, то получится шарик диаметром в 6 км. Чёрная дыра в центре нашей галактики в 4 млн раз тяжелее, чем Солнце в сжатом виде, и её диаметр составляет 24 млн км. А диаметр чёрной дыры в М87 — 24 млрд км. Она в тысячу раз массивнее, чем объект в центре нашей галактики.

Чёрные дыры в M87 и в нашей галактике были выбраны как две наиболее доступные цели для наблюдения. Однако объект в центре нашей галактики не такой уж большой, окружающее его вещество вращается быстро, и картинка немного смазывается. Поэтому она до сих пор не получена.

Работать с более массивной и отдалённой чёрной дырой в М87 оказалось легче, поскольку она достаточно медленно меняется. За восемь часов наблюдений её изображение остаётся несмазанным. 

— Как получение этого изображения повлияло на науку?

— Важно показать, что сама технология работает и её можно совершенствовать. Всегда важен демонстрационный, пилотный шаг. Чёрная дыра в М87 — это активный объект, условный прототип других ядер галактик, которых очень много. Изучение одного из них позволяет нам узнать, как устроены другие.

  • Российский учёный-астрофизик Сергей Попов
  • .com
  • © Сергей Попов

— В апреле этого года после модернизации оборудования в обсерваториях начался новый период наблюдений. Что уже удалось увидеть?

— Мы сразу поняли, что очень сильно возросла чувствительность установок. Мы рассчитывали на то, что будем наблюдать в среднем одно событие в неделю, но они регистрируются чаще. В основном мы наблюдаем за слиянием двух чёрных дыр.

Это помогает собирать статистические данные. У нас появляется шанс обнаружить интересные пары, например вращающиеся в разные стороны объекты. Ещё одним важным шагом стало обнаружение слияний нейтронных звёзд с другими нейтронными звёздами и с чёрными дырами.

Это помогает лучше понять, как устроены эти космические объекты. Часто люди утверждают, что незачем их исследовать, поскольку они находятся далеко от нас и мы никогда к ним не полетим.

Однако изучение внутреннего строения нейтронных звёзд содействует развитию ядерной физики и других прикладных областей знаний.

  • Компьютерная модель слияния нейтронных звёзд
  • NASA

— Вы можете назвать самые главные открытия в астрофизике последних лет и те, на которые учёные рассчитывают в будущем?

— В 1960-е годы были открыты квазары, пульсары, реликтовые излучения, то есть окончательно оформилась теория горячего Большого взрыва.

В 1990-е учёные обнаружили экзопланеты, сделали открытие об ускоренном расширении Вселенной, а в 2015 году зарегистрировали гравитационные волны. Сейчас на орбите работает телескоп «Гея» (Gaia), собравший данные о более чем миллиарде звёзд.

Он видит астероиды в Солнечной системе и далёкие галактики. В ближайшие годы мы получим первую трёхмерную карту Млечного Пути. Через несколько лет начнут работать большие наземные оптические телескопы нового поколения.

С их помощью в 2020-х годах мы получим первые данные об атмосфере землеподобных экзопланет и обнаружим планетыс большим содержанием кислорода. Также ждём запуска ультрасовременного космического телескопа «Джеймс Уэбб». 

— Почему открытие гравитационных волн было так важно?

— Можно представить пространство и время как ткань, трёхмерную структуру, которая искажается из-за наличия массивных тел. Если мы будем вращать массивное симметричное тело, то его показатели не изменятся.

Но если мы станем крутить объект в форме сигары или огурца, то увидим трансформации, поскольку часть симметрии будет потеряна. Когда предмет вращается с определёнными периодом и частотой, мы видим изменение гравитационного поля.

С конца 1960-х годов люди пытались зарегистрировать волны далёких источников, строили более чувствительные детекторы. Они были спроектированы таким образом, чтобы гарантированно получить результат. В 2015 году было зафиксировано первое событие, как и предсказывалось.

Для наблюдения за чёрными дырами, у которых нет никаких проявлений, кроме гравитационных, это не просто лучший, а единственный способ изучения.

  • Компьютерное изображение гравитационных волн
  • NASA

— Давайте поговорим о парадоксе Ферми — отсутствии видимых следов деятельности инопланетных цивилизаций. Почему же молчит Вселенная?

— Начиная с 1960-х годов люди активно ищут следы инопланетной жизни. Несмотря на десятилетия тщательных исследований, мы ничего не обнаружили — Вселенная молчит.

На пике холодной войны была популярна точка зрения, что высокоразвитые цивилизации долго не живут. Также есть мнение, что разумная жизнь — очень редкое явление, поэтому мы такие одни, по крайней мере в значительной части нашей галактики.

Когда мы получим возможность изучать атмосферу землеподобных планет, то будем знать больше.

Также по теме

В поисках обитаемых планет: как учёные планируют обнаружить внеземную жизнь к 2030 году

Американские учёные выяснили, по каким признакам можно обнаружить потенциально обитаемую экзопланету. Судить о пригодности…

— Как вы относитесь к проектам по поиску внеземных цивилизаций?

— До первого возможного контакта с инопланетной расой — целая пропасть, поскольку нам мешают большие космические расстояния. Пока мы мечтаем о том, чтобы отправить человека на Марс. Это очень близкая и лёгкая цель.

Я думаю, что нет никакой опасности в поиске следов инопланетной жизни и передаче в космос посланий о нашем существовании. Высокоразвитые технические цивилизации, обладающие средствами перемещения между звёздами, смогут нас легко обнаружить, даже если мы выключим все радиотелескопы.

Земля много что излучает: работают радары, телевизионные станции. 

— Как вы относитесь к моде на астрофизику, которая появилась в последние годы?

— Всегда есть какая-то наука, которая популярнее других. Астрофизика переживает период быстрого экстенсивного развития: часто создаются крупные телескопы, спутники, которые позволяют нам получать новые данные. Это интересная, достоверная и понятная информация. Например, астрономы открыли самую близкую экзопланету. В этой новости все слова ясны.

А если вы начнёте читать про какое-нибудь важное открытие в физике твёрдого тела, то не поймёте в нём ни одного слова. Поэтому астрофизика, будучи очень маленькой наукой, занимает большую часть новостного потока в СМИ, выдаёт много интересных открытий с красивыми картинками.

Когда-нибудь это закончится, и в моду вместо астрофизики, возможно, войдёт биология или фундаментальная медицина.

Полную версию интервью смотрите на сайте RTД.

Источник: https://russian.rt.com/science/article/640152-astrofizika-kosmos-otkrytiya

Booksm
Добавить комментарий