Tým vědců vyvinul recept na černé díry, který eliminuje jeden z nejobtížnějších aspektů fyziky: centrální jedinečnost, bod, ve kterém se všechny naše teorie, zákony a modely rozbijí.
Pokud byste se chystali navrhnout objekt, který by zachoval záhadu, zatímco jste naprosto znepokojující, nemohli jste udělat mnohem lépe než a černá díra.
Za prvé, vnější hranice těchto kosmických titanů je jednosměrná povrch zachycení světla zvaný Horizont událostiBod, ve kterém je gravitace černé díry tak silná, že ani nejednotí ani světlo. To znamená, že žádné informace nemohou uniknout z černé díry, takže nikdy nemůžeme přímo pozorovat ani měřit, co leží v jeho srdci.
S použitím matematiky Einsteinovy teorie gravitace z roku 1915, volané Obecná relativitaVědci mohou modelovat interiér černé díry. Problém je v tom, že když to dělají, obecná relativita nám říká, že všechny matematické hodnoty jdou do nekonečna v „singularity“ v srdci černé díry.
Tento nový výzkum naznačuje, že „obyčejné černé díry“ bez centrální singularity – fyzika ekvivalentu, že má váš dort a konzumace – může být víc než jen sen o horečkách nadějných fyziků.
„Singularita je nejzáhadnější a nejproblematičtější součástí černé díry. prostor a čas Doslova již nedává smysl, „řekl člen studijního týmu Robie Hennigar, výzkumný pracovník na Durhamské univerzitě v Anglii.
Související: Co jsou černé díry? Vše, co potřebujete vědět o nejtemnějších objektech ve vesmíru
Singularity Smýšlející: Fyzici chtějí jednu věc
Einsteinova teorie obecné relativity uvádí, že objekty s hmotnostní zakřivením je samotnou strukturu časoprostoru (tři rozměry vesmíru spojené s jednou dimenzí času) a z tohoto zakřivení vyplývá gravitace. Čím větší je hmota, tím extrémnější je zakřivení časoprostoru a tím silnější vliv gravitace. To vše se počítá s rovnicemi, které podporují obecnou relativitu: Einsteinovy polní rovnice.
„Způsob, jakým jsou křivky časoprostoru určeny polními rovnicemi Einstein, které jsou základním kamenem obecné relativity,“ řekl člen týmu Pablo Antonio Cano Molina-Niñirola z Institutu kosmosových věd University of Barcelona (ICCUB) ve Španělsku.
„Tyto rovnice jsou nesmírně úspěšné, protože předpovídají množství pozorovatelných jevů ve vesmíru, z Pohyb planet k vývoji vesmír a existence černých děr, „dodal.„ Ale také předpovídají existenci singularit, a to je problematické. “
Černé díry-regiony časoprostoru s extrémním zakřivením-poprvé vzniklo jako koncept od řešení Einsteinových polních rovnic navržených německým fyzikem a astronomem Karl Schwartzchild Jak sloužil v první linii během první světové války v roce 1915. Tato řešení jdou do nekonečna ve středu této oblasti. Fyzici nemají rádi nekonečnosti, protože naznačují rozpad nebo neúplnost svých modelů nebo navrhují něco zcela nefyzického. To znamená pro fyziky něco opravdu znepokojujícího a nežádoucího.
„Obecně je relativita interiér černé díry jako smluvní vesmír, kde singularita představuje okamžik, kdy se samotný prostor zhroutí,“ řekla Molina-Niñirola.
Molina-Niñirola dodala, že mnoho fyziků se domnívá, že když se gravitace stane výjimečně silnou a časoprostor je vysoce pokřivený, musí být obecná relativita nahrazena základní teorií. Předpokládalo se, že by to byla teorie kvantová gravitace což vede k „teorii všeho“, která by sjednotila takto nekompatibilní teorie obecné relativity a Kvantová fyzika.
„Doufáme, že v této úplné teorii budou odstraněny singularity černé díry,“ řekla Molina-Niñirola. „Náš recept na běžné černé díry jde přesně v tomto směru, ale místo použití úplné teorie kvantové gravitace používáme něco, co se nazývá„ efektivní teorie “. Toto je Klasická teorie gravitace To má zachytit účinky předpokládané teorie kvantové gravitace. “
To znamená, že tým upravuje rovnice Einstein Field, aby se gravitace chovala odlišně, když je časoprostor vysoce zakřivený. Nakonec to vede k odstranění centrálních singularit černých děr.
Související: Albert Einstein: Životopis, fakta a dopad na vědu
Kvantová gravitace a další problémy
Tato nově upravená teorie naznačuje, že v srdci černé díry neexistuje žádná singularita. Co tedy existuje v této extrémní exotické říši?
„V našem modelu se kolaps časoprostoru zastaví a jedinečnost je nahrazena vysoce pokřivenou statickou oblastí, která leží v jádru černé díry,“ řekla Molina-Niñirola. „Tento region je statický, protože se nestanoví. To znamená, že pozorovatel by tam mohl hypoteticky zůstat, za předpokladu, že dokázali přežít obrovské, ale konečné gravitační síly v této oblasti.“
Co jiného, kromě zakřiveného časoprostoru, se v srdci černých děr přebývá, pokud je tato teorie správná? Podle Hengigaru, přísně řečeno, nic.
„Tyto černé díry jsou všude čistě vakuum; nemusí být přítomna záležitost, ale pokud je to žádoucí, může ji snadno zahrnout,“ pokračoval výzkumník University of Durham. „Mohlo by to znít divně mít černou díru v nepřítomnosti hmoty, ale totéž se může stát i v obecné relativitě.“
I kdyby byl koncept černé díry týmu ověřen, pravděpodobně by nezastavil hledání platného modelu kvantové gravitace a teorii všeho.
„V jistém smyslu je to problém, kterému nelze zabránit. Hvězdy se neustále zhroutí v našem vesmíru; Je to nevyhnutelný fyzický proces. Ale tento běžný výskyt je něco, co nás tlačí kolem všeho, co víme, „Hennigar pokračoval.“ V závěrečných fázích kolapsu, těsně předtím, než člověk dosáhne singularity, budou důležité gravitace i kvantové účinky.
„Takže už víme, že závěry, které by člověk vyvodil pouze z obecné relativity, nejsou dostatečné k popisu takového extrémního místa/okamžiku.“
Znamená ztráta singularity ztráta tajemství? Ne úplně …
Pokud je to správné, může mít tento výzkum poněkud demystifikované černé díry, ale otevírá to mnoho otázek, na které bude stále třeba odpovědět.
„Naše práce poskytuje odpovědi na některá tajemství, ale otevírá to ostatní,“ řekla Molina-Niñirola. „Například podle našeho modelu – a dalších návrhů ve vědecké literatuře – věc, která spadá do pravidelné černé díry, by nakonec opustila černou díru a Bílá díra Nachází se v jiném vesmíru nebo v odpojené oblasti stejného vesmíru.
„Vypadá to velmi exoticky, ale je to jediná možnost, pokud neexistují singularity: vše, co jde do černé díry, musí z toho nakonec vyjít.“
Výzkumník dodal, že tento proces zahrnuje vlastní problémy, které je třeba také prozkoumat, aby se posoudila robustnost myšlenky týmu.
Velkou otázkou je, zda vědci mohou někdy najít důkazy pro tuto teorii ze skutečných pozorování černých děr; Koneckonců víme, že nemůžeme jednoduše nahlédnout do jejich interiérů.
„Je těžké říci, že protože účinky, které vedou k rozlišení singularity, by se mohly stát pozorovatelnými pouze v režimech extrémně silné gravitace, pravděpodobně mnohem silnější, než co můžeme doufat,“ řekla Molina-Niñirola. „Existují však některé experimenty, které nám mohou nabídnout některé možnosti.“
Molina-Niñirola vysvětlila, že pozorování vln v časoprostoru zvané gravitační vlny umožňuje astronomům pozorovat mnohem silnější gravitační pole než kdy předtím. To dává vědcům jedinečnou šanci pokusit se zjistit účinky nad rámec obecné relativity, včetně těch, které mohou vést k řešení singularity.
Navíc, pokud je teorie týmu správná, měl by dojít k otisce ve velmi raném vesmíru, během éry kosmické inflace hned po Velký třesk.
„V tomto ohledu by detekce prvotního, gravitační vlnové pozadí-která ještě nebyla detekována-mohla poskytnout náznaky možných modifikací gravitace,“ řekla Molina-Niñirola. „Konečně, důsledkem absence singularity je, že konečným produktem odpařování černé díry prostřednictvím hawkingského záření by byla mikroskopická černá díra.
„Tyto mikroskopické černé díry poskytují možného kandidáta na temnou hmotu. Pokud by se ukázalo, že tmavá hmota se skládá z malých černých děr, byl by to nepřímý důkaz ve prospěch nepřítomnosti singularit.“
Výzkum týmu byl publikován v časopise Fyzikální dopisy b V únoru 2025.
Původně zveřejněno Space.com.
Kvíz černé díry: Jak supermassive je vaše znalost vesmíru?
