Pochybnosti o existenci černých děr

**Představení článku
**Sporná černá díra

Francouzský překlad:

Pochybnosti o existenci černých děr.

** ** Autoři:

Jean-Pierre Petit, Observatoř v Marseille

| vědy | jp-petit.com |
|---|---|

Pierre Midy, CRI v Orsay.

Přejít přímo na vědecký článek.

Tato práce představuje výsledky deseti let úsilí. Za posledních třicet let měli astrofyzici na rtech pouze jedno slovo: „černé díry“. Téma fascinuje veřejnost a bylo mu věnováno několik knih. Nicméně observační potvrzení stále chybí: černé díry „se projevují svou nepřítomností“. A přitom vesmír je obrovský. Naše galaxie sama obsahuje nejméně 100 až 200 miliard hvězd. Existence určitých objektů byla prokázána pozorováním, jako jsou například kvasary. Nyní známe více než čtyři tisíce z nich. To neznamená, že tyto objekty plně rozumíme, jak se formují, jak se vyvíjejí a jaká je jejich životnost. Ve skutečnosti o nich nevíme nic. Jsou pouze katalogizovány, stejně jako „mlhoviny“ v době astronoma Messiera. Zjevně某些 kvasary žijí v centrech formací typu galaxie. Tyto galaxie mají „aktivní jádro“, což může znamenat cokoliv i nic současně, protože nevíme nic o povaze této aktivity, například o jejím energetickém zdroji. Současná astrofyzika se zdá být spokojena s málem. Na otázku:

• Co je kvasar?

Astrofyzik odpovídá:

• Je to jádro aktivní galaxie.

A na otázku:

• Co je aktivní galaxie?

Odpoví:

• Je to galaxie s kvasarem v centru...

Nedávno, před několika lety, jsme objevili „gamma záblesky“, jeden za den. Na obálce francouzského časopisu Ciel et Espace (Sky and Space) byl once titulek: „Gamma záblesky: záhada konečně vyřešena“. Odpověď, v sloupcích časopisu: malá jasná skvrna byla právě pozorována na pozici detekovaného gamma záblesku. Jinými slovy: vyřešit záhadu znamená vědět, že oblasti nebe, které vyzařují záblesky, vyzařují také světlo...

Není to trochu... zklamání?

Naopak, existují jiné objekty, jejichž existence byla tušena, často s velkou přesností, před jejich pozorováním. Typickým příkladem je supernova, popsaná v roce 1931 americkým astrofyzikem (švýcarského původu) Fritzem Zwicky na slavné konferenci na Caltechu, v USA. Zwicky tehdy vysvětlil, že dostatečně hmotné hvězdy, řekněme s hmotností nad dvacet slunečních hmotností, by měly skončit paroxysmickým koncem s nárůstem výkonu během několika dnů, přičemž celý jev probíhá zhruba dvacet dní. To bylo pozoruhodné předpověď, i když zpočátku nebyla brána vážně. Nicméně Zwicky, tvrdohlavý, objevil první supernovy. Dnes známe několik stovek. Totéž platí pro neutronové hvězdy, identifikované subsequently s pulzary (rotující neutronové hvězdy) a bílými trpaslíky. Tento druh má také několik stovek identifikovaných jedinců.

Černá díra byla navržena jako odpověď na problém: co se stane s neutronovou hvězdou, která překročí určitou „kritickou hmotnost“. Tyto neutronové hvězdy, jasně identifikované, připomínají obrovské atomová jádra, bez protonů. Proč jsou tyto objekty složeny výhradně z neutronů?

Neutronové hvězdy považujeme za to, co zůstalo z železného jádra hmotné hvězdy po jejím výbuchu. Hmotná hvězda je hvězda, ve které během jejího života probíhá několik typů fúze. Nakonec produkuje železo, které se nemůže účastnit žádné další exo-energetické fúzní reakce. Toto těžké železo padá do středu hvězdy, jako popel v krbu. Když hvězdě náhle dojde palivo (jak pochopil Zwicky), zhroutí se sama na sebe rychlostí 80 000 kilometrů za sekundu (přesněji řečeno, s chybou jednoho kilometru za sekundu). Při pádu na železné jádro je tento plyn silně stlačen. Nejen že se odrazí, ale jsou produkovány několik fúzních reakcí, které již nemusí být exo-energetické, protože energie pochází z brutální kontrakce hvězdy na sebe. Vznikají všechny druhy nukleárních druhů, včetně mnoha radioaktivních atomů s extrémně proměnlivými životnostmi. V roce 1987 výbuch hvězdy Sanduleak, v Magellanově oblaku, dal konečné potvrzení existence takových jevů (pouze 150 000 světelných let daleko).

Jev zcela rozdrtí železné jádro posunem jeho atomů. Stlačí se tak silně na sebe, že elektrony nemají dostatek prostoru k pohybu mezi nukleony. Uvězněny, kombinují se tedy s protony za vzniku neutronů a neutrino. Normálně, když stlačujeme plyn, jev nazývaný tlak odporuje stlačení. To platí i pro kapalinu nebo pevnou látku (vše je stlačitelné). To se děje při zrození mladé hvězdy. Proto-hvězda je hromada plynu, která se hroutí sama na sebe. Ale při kontrakci se zahřívá a síla tlaku omezuje kontrakci. Je špatným radiátorem, ale musí ztratit energii zářením (infračerveným) předtím, než se může dostatečně stlačit, aby se stala skutečnou hvězdou. Nicméně, pokud je její hmotnost nedostatečná, stane se „velkým Jupiterem“ (tento obří planeta pokračuje v vyzařování více energie, než dostává od Slunce, ale nikdy se nestane hvězdou). Když výbuch supernovy stlačí železné jádro, toto evakuuje svou energii vyzařováním fantastického množství... neutrino. Zde se scénář zcela mění: radiační ochlazení je okamžité, protože neutrino mohou snadno uniknout. Žádný protitlak tedy. Blok železa je lamentálně rozdrcen. Zůstává jen hromada neutronů, natlačena jeden na druhého jako Japonci v metru během špičky. Proč kritická hmotnost? Protože neutrony nemohou snést tlak vyšší než maximální hodnota. Jako elektrické žárovky naskládané v důlní šachtě. Po určité úrovni žárovek sklo praskne a hromada rozbitého skla padne na dno šachty. Když má neutronová hvězda hmotnost o něco větší než dvojnásobek hmotnosti Slunce, tlak v jejím jádře se stává příliš velkým. Neutrony jej již nemohou snést. Předpokládá se, že se zhroutí sama na sebe a žádný známý fyzikální jev nemůže odolat tomuto „gravitačnímu kolapsu“. Truchlivá perspektiva pro astrofyzika. I před výbuchem je neutronová hvězda „relativistická“, na rozdíl od „newtonovského“ objektu. To je vidět na vzhledu trajektorií „referenčních částic“ blízko hmoty m (atomu, například). Víme, že jev zakřivení časoprostoru způsobuje precesi eliptické dráhy Merkuru. Ale tato precese je minimální. Nicméně následující obrázek, vzniklý z počítačových výpočtů, ukazuje významnou precesi quasi-elliptické trajektorie kolem neutronové hvězdy.

Nelze tedy popsat neutronovou hvězdu pomocí „newtonovského materiálu“.

Výpočetní program je relativně jednoduchý a jednoho dne, až budu mít čas, umístím jej na web, abyste si s ním mohli hrát a ukázat jev gravitační čočky (zde velmi přehnaný):

Tak, protože jde o popis osudu neutronové hvězdy dosahující kritičnosti, musí být použita „rovnice pole“, ta od Einsteina.

S = c T

T je „tenzor“, který popisuje lokální obsah „energie-hmoty“. Tenzor je nulový na vnější straně a nenulový na vnitřní straně. Geometrické řešení musí být tedy odvozeno ze dvou rovnic.
Pro vnitřek:

S = c T

pro vnitřek

S = 0

Řešení tohoto typu rovnice se nazývají „metriky“. Nicméně nezáleží na tvaru objektů. Jsou „tenzory“, a aby pochopil, co je tenzor, hodně štěstí... Trvalo mi to nějaký čas.

Slunce je asociováno s „lokální geometrií“, která je řešením pro dvě rovnice. První popisuje vnitřek Slunce a druhá prázdnotu kolem něj. Nicméně můžeme popsat pouze jakýsi „ideální Slunce“, které se skládá ze sféry naplněné hmotou konstantní hustoty. Ale to je lepší než nic. Tato řešení mají matematické výrazy, které zde nebudeme rozvíjet. Nic vám neřeknou. Každá má svou vlastní „osobní patologii“. Nazveme rn poloměr hvězdy, konstantní hustoty r. Z této hustoty r, a hodnoty c rychlosti světla, můžeme vypočítat první charakteristický poloměr, „R circumflex“:

Vnitřní geometrické řešení je „nepathologické“, pokud, a pouze pokud, hodnota poloměru rn je nižší než tato kritická hodnota.

Se stejnými daty můžeme vypočítat druhý charakteristický poloměr:

který nazýváme „Schwarzschildův poloměr“ Rs. Vnější řešení, které odkazuje na „prázdnotu“ obklopující naši hvězdu konstantní hustoty r a konstantního poloměru, bude nepathologické, pokud, a pouze pokud, hodnota poloměru hvězdy rn je vyšší než tato charakteristická délka. Při kombinaci obou je nutné, aby:

Velikost na pravé straně závisí na hustotě hvězdy (mezi 10¹⁵ a 10¹⁶ gramy na kubický centimetr). Při konstantní hustotě velikost na levé straně roste jako kubický poloměr Rn hvězdy.

To platí pro Slunce, považované za hvězdu konstantní hustoty jako první aproximace. Co myslíme „patologiemi“? Vše: velikosti pod odmocninami, které se stanou negativními, jmenovatelé, které se stanou nulovými. Vidíme tedy, že hvězda konstantní hustoty nemůže být popsána tímto typem stacionárního řešení:

„Schwarzschildův poloměr“ Slunce je 3,7 km: dobře uvnitř (rn). Můžete si užít jeho výpočet, vědou, že jeho poloměr je 695 000 km, hodnota druhého kritického poloměru „R circumflex“ je vyšší.

Pokud by šlo o Slunce, na měřítku obrázku by Schwarzschildův poloměr (3,7 km) byl jen bod a poloměr „R circumflex“ by šel daleko mimo list. Nahoře uvedený obrázek se spíše vztahuje k „podkritické neutronové hvězdě“.

Jak probíhá „výstup k kritičnosti“? Stačí přidat vrstvy neutronů, s konstantní hustotou (neutronovou hvězdu připodobňujeme, pokud ne pevné látce, alespoň kapce prakticky nestlačitelné kapaliny).

Získáme výše uvedené křivky jednoduše použitím uvedeného vzorce. Poloměr hvězdy roste, ale „Schwarzschildův poloměr“ jej dohoní. A oba se setkají, když rn dosáhne hodnoty „R circumflex“. Pak, na povrchu hvězdy, velikost pod odmocninami se stane negativní, jmenovatelé se stanou nulovými, atd. To je matematický, geometrický překlad kritičnosti. Co jednoduše znamená, že hvězdu nelze popsat pomocí jednoho nebo obou kombinovaných geometrických řešení získaných z Einsteinovy rovnice s druhým členem nenulovým (vnitřek) nebo nulovým (vnějšek). Maximální charakteristická hodnota tohoto poloměru je asi 20 kilometrů. Hustota neutronové hvězdy může být vypočtena z toho.

Ale je něco málo známého, i mezi „lidmi vesmíru“, ačkoli to plyne z prací provedených v 40. letech: existuje jiná kritičnost, tentokrát fyzikální povahy, která se objeví právě předtím, než poloměr hvězdy dosáhne této hodnoty. Je to extrémně blízká hodnota, nižší pouze o 5 %. Ale když poloměr hvězdy dosáhne této hodnoty, nebo což vychází na stejné, když hmotnost dosáhne hodnoty dvojnásobku hmotnosti Slunce, tlak ve středu hvězdy se stane nekonečným, na základě modelu „TOV“ vyvinutého v 40. letech Tolmanem, Oppenheimerem a Volkovem (Oppenheimerem od bomby).

Tlak uvnitř neutronové hvězdy podle vzdálenosti od středu
**** pro různé hodnoty hmotnosti objektu.

Toto je pro nás základní datum.

Následuje vývoj tlaku uvnitř neutronové hvězdy, v závislosti na vzdálenosti od jejího středu, pro různé hmotnosti:

... Možná vědci, jako ostatní, si nekladou otázky, na které si myslí, že nemohou odpovědět. Jak odpovědět na otázku:

• Co se děje v prostředí, kde, v určitém bodě, tlak náhle se stane nekonečným?

Ale nikdo se neptal, alespoň ne tímto způsobem. Zjevně to uniklo všem. Mnoho specialistů na kosmologii, s kterými jsem mluvil, neznali tento aspekt.

Vraťme se k „příběhu černé díry“. Mohli bychom říci: jev imploze nestabilní neutronové hvězdy je nestacionární jev. Zbudujme tedy nestacionární řešení pro soubor dvou výše uvedených rovnic. Nicméně nevíme, jak to udělat věrohodně. Teoretici se tedy obrátili k „vnějšímu řešení“ (to, které popisuje, například, geometrii na vnější straně Slunce a které se stává „patologickým“ na Schwarzschildově poloměru 3,7 km).

• Jinými slovy, „odstraňte Slunce“ a prozkoumejme vlastnosti této geometrie. Tak...

• Ale je to řešení, které odkazuje na prázdný vesmír?!

• Nedbejte na to, uvidíme, co získáme...

Studium začalo na radiálních trajektoriích objektů ve volném pádu k tomu, co by za těchto podmínek bylo „černá díra sluneční hmotnosti“ o průměru 3,7 km. Proměnná t byla zachována, měla označovat čas prožívaný „vnějším pozorovatelem“, dobrým zemšťanem hledícím na Slunce, které právě zneviditelnili. Bylo zjištěno, že čas volného pádu každé testovací částice, měřený podle tohoto času, se stane nekonečným. Nicméně, pokud bychom připojili hodiny k dané částici, dorazila by ke geometrickému středu objektu v konečném časovém úseku.

Teoretici tedy navrhli následující vizi:

• Toto stacionární, vnější řešení nachází nové, prozřetelné využití. Vskutku, gravitační kolaps probíhá v velmi krátkém časovém úseku (asi jedna desetitisícina sekundy pro nestabilní neutronovou hvězdu). Nicméně, protože jev se zdá trvat nekonečný čas pro „vnějšího pozorovatele“, stacionární řešení může být použito k popisu eminently nestacionárního jevu.

Pokud nejsou drozdy, budeme jíst draky...

Od této myšlenky se teoretici začali ptát, co se stane hmotě, když překročí Schwarzschildovu plochu. A tam našli všechny hrůzy zmíněné výše. Čas částice se stal... čistou imaginací. Rychlost částice překročila rychlost světla. Stala se tachyonem, jehož hmotnost je... imaginární, atd., atd.

Někteří dokonce navrhli (a najdete to v mnoha knihách), že uvnitř sféry se proměnná r transformuje na čas a proměnná t na... radiální vzdálenost.

Jak říkával Jean Heidmann, kosmolog v Meudonu, nyní na důchod:

• Když se mluví o černých dírách, je třeba nechat zdravý rozum u šatny...

Za těchto podmínek, pokud se rozhodneme zapomenout na zdravý rozum, kde je hranice iracionalnosti? Jak se rozhodneme zbudovat „fyziku nepozorovatelného“. To je případ „temné hmoty“, o které se říká a píše cokoliv, často v tempu několika desítek článků denně. Nikdo se zdá, že se nepodíval na model dvojčete, bohatě rozvinutý na mém webu. Nicméně někteří zahraniční výzkumníci (Čína, Japonsko) se zdají, že jej dobře pochopili.

V této oblasti jsou nové informace. V 88-89 jsem publikoval tři články v Modern Physics Letters A (reprodukovány na webu), které spustily myšlenku, bez precedenty, kosmologii, ve které fyzikální konstanty mohou varirovat, včetně posvátné rychlosti světla c. Myšlenka byla „znovuobjevena“ v roce 1993. Od té doby bylo publikováno mnoho článků ve velmi selektivních recenzích jako Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Již existuje dostatečně velká skupina „variatérů konstant“. Někteří z nich objevili mou práci na internetovém webu. Mnoho z nich bylo ohromeno, ještě více tím, že práce pocházela z Francie, země, která nikdy neupoutala pozornost významnou inovací v kosmologii, ani v astrofyzice (typicky německé, ruské, americké nebo britické obory). Kontakt byl navázán velmi srdečně. Číňané, ne bez humoru, řekli, že museli sáhnout po atlasu, aby našli umístění Marseille, a měli „pocit, že objevují neznámý region planety“.

Proč tato odbočka? Protože, podle nás, závratný nárůst tlaku v jádře neutronové hvězdy by měl alterovat konstanty fyziky a vytvořit „hypertorický most“ mezi vesmírem a jeho dvojčetem. Je to myšlenka, která vyžaduje hlubší studium. Řekneme, pokud je pomoc nutná v tomto podniku, pravděpodobně přijde od „variatérů konstant“, kteří již přešli čáru. Prozatím jsme jediní „dvojčataři“, ale věci nemusí zůstat tak navždy.

Podle nás tedy, kontext dvojčete by měl zcela změnit scénář pro nestabilní neutronovou hvězdu. Nicméně, než budeme moci navrhout challengující model, musíme studovat klasický model černé díry. To je to, co se děje v tomto dlouhém článku. Věci nejsou řešeny „v pořádku“. V jedné sekci jsme pečlivě prozkoumali Kruskalovu práci, ukazující chyby v jeho přístupu.

Vše je motivováno. V roce 1960 Kruskal si všiml, že v počátečním modelu („Schwarzschildova metrika“) byla rychlost světla nulová na sféře v otázce, „horizontální sféra“, alias Schwarzschildova sféra, a začal léčit tuto „nemoc“.

Ale jak pracovat na geometrických řešeních? Mohou být vymyšleny? Odpověď je ne. Věřím, že článek jasně ukazuje arbitrární charakter volby souřadnic. By its essence, geometrické řešení je „invariantních souřadnic“, nezávisí na zvolených souřadnicích. Představte si mýdlovou bublinu. Je to povrch. V jednom smyslu je to řešení rovnice pole, která odpovídá tomu, že energie použitá v napětí, k vyvážení konstantního tlaku uvnitř bubliny, je konstantní na celém jejím povrchu. Na otázku:

• Jaký povrch reaguje mechanicky způsobem, který může snést vnitřní nadtlak?

Odpověď je:

• Je to sféra.

Ale tato sféra, geometrický objekt, existuje nezávisle na souřadnicovém systému použitém k identifikaci jejích bodů. Nyní víme, že při použití systému poledníků a rovnoběžníků vytváříme polární singularity, zjevně singulární body, zatímco ve skutečnosti nejsou. Jsou singularity inducované volbou souřadnic. V případě sféry, mimochodem, tyto singularity jsou nevyhnutelné. Následující obrázek ukazuje sféru a její značkovací systém souřadnic latitude a longitude.

Poznámka: Můžeme mapovat sféru, dát jí značkovací systém se dvěma parametry použitím pouze jednoho pólu. Viz následující obrázky:

**První značka, první rodina křivek k parametru **a získaná řezáním sféry v rovinách procházejících přímkou tečnou k jednomu z jejích bodů.

To je kombinováno s druhou rodinou křivek získaných řezáním téže sféry podél jiné přímky tečné ke sféře ve stejném bodě, například, ortogonální k první.

Sféra, tak mapovaná, viděná z jiného úhlu, který skrývá její jedinou singularitu.