Představení článku „Questionable black hole“
Francouzský překlad:
Pochybnosti o existenci černých děr.
Přejít přímo na vědecký článek
Autoři:
Jean-Pierre Petit, Observatoř Marseille Pierre Midy, CRI Orsay.
Tento výzkum je výsledkem deseti let úsilí. Posledních 30 let astronomové opakují jen jedno slovo – „černé díry“. Slovo fascinuje veřejnost. Na toto téma bylo napsáno mnoho knih. Nicméně chybí pozorovatelské potvrzení: černé díry „chybí svým přítomností“. Víme však, že vesmír je obrovský. Naše galaxie obsahuje alespoň 100 až 200 miliard hvězd.
Existence určitých objektů byla odhalena pozorováním, například kvazary. Dnes známe více než čtyři tisíce kvazarů. To však neznamená, že bychom přesně věděli, co to jsou za objekty, jak se tvoří, jak se vyvíjejí a jakou mají životnost. Ve skutečnosti o nich víme vůbec nic. Jsou prostě katalogizovány, stejně jako kdysi „mlhoviny“ v době astronomu Messiera.
Zdá se, že některé kvazary sídlí uprostřed struktur s tvarem galaxie. Tyto galaxie tedy mají „aktivní jádro“, což znamená vše a zároveň nic, protože o povaze této aktivity nevíme vůbec nic, například o zdroji energie.
Současná astrofyzika se zdá být spokojená s málo. Na otázku:
- Co je kvazar?
astrofyzik odpoví:
- Je to jádro aktivní galaxie.
A na otázku:
- Co je aktivní galaxie?
odpoví:
- Je to galaxie, která má kvazar uprostřed.
Později byly objeveny tzv. „gama záblesky“, přibližně jeden denně. Časopis Ciel et Espace jednou na titulní straně napsal: „Gama záblesky: záhada konečně vyřešena“. Odpověď v článku: právě byla lokalizována malá jasná skvrna místo gama záblesku, který byl právě detekován. Tedy: vyřešit záhadu znamená vědět, že oblasti oblohy, které vysílají tyto záblesky, jsou také zdroji světla...
Není to trochu… skromné?
Na druhou stranu existují objekty, jejichž existence byla předpovězena, často velmi přesně, ještě před tím, než byly pozorovány. Typickým příkladem je supernova, popsaná již v roce 1931 americkým astrofyzikem (původem Švýcár) Fritzem Zwicky během slavné přednášky na Caltech ve Spojených státech. Zwicky tehdy vysvětlil, že hvězdy dostatečně hmotné – jejichž hmotnost přesahuje například dvacet slunečních hmot – by měly skončit katastrofálním závěrem s nárůstem jasu za pouhých několik dní, přičemž celý jev trvá kolem dvaceti dní. Byla to úžasná předpověď, i když tehdy nebyla brána vážně. Ale Zwicky, trpělivý, objevil první supernovy. Dnes jich známe stovky. Stejně tak u neutronových hvězd, které byly později identifikovány s pulsary (rotujícími neutronovými hvězdami) a bílými trpaslíky. I zde se v zoologické zahrádce objevuje několik stovek identifikovaných jedinců.
Černá díra byla navržena jako odpověď na problém: co se stane s neutronovou hvězdou, jejíž hmotnost překročí určitou „kritickou hmotnost“. Tyto neutronové hvězdy, správně identifikované, by měly vypadat jako obrovská jádra atomů bez protonů. Proč jsou tyto objekty tvořeny pouze z neutronů?
Považuje se neutronová hvězda za to, co zůstane po jádru železa hvězdy s velkou hmotností po její explozi. Hvězda s velkou hmotností je hvězda, ve které během své existence probíhá mnoho typů fúzních reakcí. Nakonec vytváří železo, které již nemůže podstoupit žádnou exoenergetickou fúzi. To těžké železo tedy klesá do středu hvězdy jako popel do krbu. Když hvězda najednou ztratí palivo pro fúzi (což si uvědomil i Zwicky), padá sama na sebe rychlostí 80 000 kilometrů za sekundu (asi o několik kilometrů za sekundu méně). Při dopadu na železné jádro je plyn silně stlačen. Nejenže se odrazil, ale během tohoto procesu probíhá řada fúzních reakcí, které již nemusí být exoenergetické, protože energie pochází z náhlého stlačení hvězdy sama na sebe. Vytvářejí se všechny možné a představitelné jaderné druhy, včetně mnoha radioaktivních prvků s velmi různou dobou života. Víme, že pozorování exploze hvězdy Sanduleak v Magellanově oblaku v roce 1987 přineslo definitivní potvrzení existence takových jevů (pouhých 150 000 světelných let daleko).
Její jev úplně zničí železné jádro rozpadem atomů. Jádro je takto stlačeno, že elektrony nemají dostatek místa pro pohyb mezi nukleony. Zachyceny se pak spojují s protony a vytvářejí neutrony a neutriny.
Obvykle, když komprimujeme plyn, jev zvaný tlak odporuje této kompresi. To platí i pro kapalinu nebo pevné těleso (vše je stlačitelné). Například při vzniku mladé hvězdy se původní hmotnost plynu stlačuje sama na sebe. Ale zahřívá se a tlaková síla omezuje její smrštění. Je to špatný zářič a musí ztrácet energii zářením (infračerveným), než se stane dostatečně hustou, aby se proměnila v opravdovou hvězdu. Pokud je její hmotnost příliš malá, bude to „velký Jupiter“ (tato obří planeta stále vyzařuje více energie, než přijímá od Slunce, ale nikdy se nepromění v hvězdu).
Když exploze supernovy komprimuje železné jádro, toto jádro uvolňuje energii vysíláním obrovského množství … neutrino. Zde se scénář změní úplně: chladnutí zářením je okamžité, protože neutrino unikají bez obtíží. Tedy žádná protitlaková síla. Kus železa se tedy tragicky zničí. Zbývá hromada neutronů, těsně přilepených k sobě, jako Japonci v metro v špičkové době.
Proč kritická hmotnost? Protože neutrony nemohou snést tlak vyšší než určitá maximální hodnota. Jako žárovky zasunuté do dolu. Přes určitou výšku se sklo rozbije a hromada rozbitého skla se sesype na dno dolu.
Když má neutronová hvězda hmotnost o něco víc než dvojnásobek sluneční hmotnosti, tlak ve středu je příliš velký. Neutrony ho již nevydrží. Měla by tedy zhroutit sama sebe, aniž by existoval žádný známý fyzikální jev, který by tento sesuv bránil – „gravitační kolaps“. Pro fyzika je to strašná perspektiva.
Dříve než dojde k implozi, je neutronová hvězda „relativistická“, v rozporu s „newtonovským objektem“. To se projevuje tvaru trajektorií „pomocných částic“ v blízkosti (libovolná hmotnost m, např. atom). Víme, že zakřivení prostoročasu způsobuje precesi eliptické dráhy Merkuru. Ale tato precese je zanedbatelná. Naopak obrázek níže, vybraný z počítačových výpočtů, ukazuje silnou precesi téměř eliptické dráhy kolem neutronové hvězdy.
Takže je zcela vyloučeno popsat neutronovou hvězdu „newtonovským materiálem“.
Program pro výpočet je však docela jednoduchý. Jednou, až budu mít čas, to všechno umístím na web, abyste si mohli hrát s ním a především ukázat jev (zde velmi zvýrazněný) gravitačního čočkování:
Takže, pokud jde o popis osudu neutronové hvězdy dosahující kritické hmotnosti, museli jsme použít „rovnici pole“, Einsteinovu rovnici. S = c T
T je „tenzor“, který popisuje místní obsah „hmoty a energie“. Před implozí je tento tenzor nulový vně a nenulový uvnitř. Řešení geometrie tedy musí vycházet z dvou rovnic:
S = c T
pro vnitřek S = 0
pro vnější prostor.
Řešení tohoto druhu rovnic se nazývají „metriky“. Ale nezáleží na tom, jaký tvar tyto objekty mají. Navíc jde o „tenzory“, a než pochopíte, co je tenzor, ahoj. Já jsem na to potřeboval čas.
Slunce je spojeno s „geometrií“, lokální, která je řešením těchto dvou rovnic. První popisuje vnitřek Slunce a druhá prázdný prostor vně. Nicméně umíme popsat jen jednu „ideální sluneční“ podobu, která by byla koulí plnou hmoty s konstantní hustotou. Ale to je lepší než nic. Tyto řešení mají matematické výrazy, které nebudeme uvádět. Nebudou vám nic říkat. Každé má „svou vlastní patologii“. Označme rn poloměr tělesa s konstantní hustotou r. Z této hustoty r a hodnoty c rychlosti světla spočítáme první charakteristický poloměr, „R čepice“:
Vnitřní geometrické řešení je „nepatologické“, pouze pokud je hodnota poloměru rn menší než tato kritická hodnota.
Z těchto dat můžeme spočítat druhý charakteristický poloměr:
což se nazývá „Schwarzschildův poloměr“ Rs. Vnější řešení, které se vztahuje k „prázdnému prostoru“ kolem našeho tělesa s konstantní hustotou r a poloměrem, je nepatologické pouze tehdy, pokud je hodnota poloměru rn tělesa větší než tato charakteristická délka. Spojením obou podmínek musí platit:
Hodnota na pravé straně závisí pouze na hustotě tělesa (mezi 1015 a 1016 gramy na centimetr krychlový). Při konstantní hustotě roste levá strana jako krychle poloměru rn tělesa.
To platí pro Slunce, považované za těleso s konstantní hustotou, v první aproximaci. Co znamená „patologie“? Všechno: množství pod odmocninou se stane záporným, jmenovatel se stane nulovým. Vidíme tedy, že těleso s konstantní hustotou lze popsat touto druhou stacionární řešením pouze tehdy, pokud:
Schwarzschildův poloměr Slunce je 3,7 km: je výrazně uvnitř tohoto tělesa (rn). Můžete si zábavně spočítat, že jeho poloměr je 695 000 km, hodnotu tohoto druhého kritického poloměru „R čepice“, který je větší.
Kdyby šlo o Slunce, Schwarzschildův poloměr (3,7 km) by na obrázku byl téměř bodový. Zatímco „R čepice“ by vyšel z listu papíru. Obrázek nahoře se týká spíše „subkritické neutronové hvězdy“.
Jak probíhá „vzestup k kritičnosti“? Stačí přidat vrstvy neutronů s konstantní hustotou (představujeme si neutronovou hvězdu buď jako pevné těleso, nebo alespoň jako kapku tekutiny prakticky nestlačitelnou).
Získáme výše uvedené křivky jednoduše pomocí uvedeného vzorce. Poloměr hvězdy roste, ale Schwarzschildův poloměr ho dohání. A zjistíme, že se oba setkají, když rn dosáhne hodnoty „R čepice“. Pak na povrchu tělesa se množství pod odmocninou stane záporným, jmenovatel se stane nulovým atd. To je matematické a geometrické vyjádření kritičnosti. Znamená to jednoduše, že nelze použít jedno nebo obě spojená geometrická řešení odvozená z Einsteinovy rovnice s nenulovou pravou stranou (vnitřek) nebo nulovou pravou stranou (vnější prostor) k popisu tělesa. Maximální charakteristická hodnota tohoto poloměru: několik desítek kilometrů. Z toho odvodíte hustotu v neutronové hvězdě.
Je však známo málo, i mezi „kosmology“, ačkoli jde o práci z let 40. Existuje jiná kritičnost, fyzikální povahy, která se projeví právě předtím, než poloměr hvězdy dosáhne této hodnoty. Je velmi blízká, protože je pouze o 5 % nižší. Ale když poloměr hvězdy ji dosáhne, nebo, což je stejné, když hmotnost dosáhne dvojnásobku sluneční hmotnosti, tlak v jádře hvězdy se stane nekonečným, podle modelu „TOV“ postaveného v roce 1940 Tolmanem, Oppenheimerem a Volkovem (je to ten samý Oppenheimer, který pracoval na bombě).
Tlak uvnitř neutronové hvězdy podle vzdálenosti od středu pro různé hodnoty hmotnosti objektu.
Pro nás je to klíčová data.
Možná vědci, stejně jako ostatní lidé, se ptají jen na otázky, na které si myslí, že mohou odpovědět. Jak odpovědět na otázku:
- Co se děje ve středu prostředí, kde najednou v jednom bodě tlak stane nekonečným?
Nikdo si tuto otázku nepoložil, alespoň ne takto formulovanou. Zřejmě to nikoho nezaujalo. Mnoho specialistů na kosmologii, s nimiž jsem mluvil, ignorovalo tento aspekt.
Vraťme se k „příběhu černé díry“. Můžeme říci: Imploze destabilizované neutronové hvězdy je nestacionární jev. Vytvořme proto nestacionární řešení pro obě výše uvedené rovnice. Ale nevíme, jak to udělat důvěryhodně. Pak teoretici začali zvažovat „vnější řešení“ (to, které popisuje například geometrii vně Slunce a stává se „patologickým“ na jeho Schwarzschildově poloměru 3,7 km).
-
Jinými slovy: „odeberme Slunce“ a prozkoumejme vlastnosti této geometrie. Takto...
-
Ale to je řešení odkazující na prázdný vesmír?!
-
Přeskočme to, podívejme se, co to dá.
Začali jsme studovat radiální dráhy objektů padajících volně do toho, co by v těchto podmínkách bylo „černou dírou o hmotnosti Slunce“ s průměrem 3,7 km. Zachovali jsme proměnnou t, která by měla odkazovat na čas pro „vnějšího pozorovatele“, obyčejného zemského obyvatele, který sleduje Slunce, které právě zmizelo. Zjistili jsme, že doba pádu každé pomocné částice v tomto čase je nekonečná. Nicméně, kdybychom připevnili hodinky k této částici, došla by ke středu geometrickému za konečný čas.
Teoretici pak navrhli následující pohled:
- Toto stacionární vnější řešení má výhodné použití. Gravitační kolaps skutečně trvá velmi krátce (řádově jedna desetina miliontiny sekundy pro destabilizovanou neutronovou hvězdu). Ale protože tento jev pro „vnějšího pozorovatele“ trvá nekonečně dlouho, můžeme použít stacionární řešení k popisu velmi nestacionárního jevu.
Když se nezajde na holubí, jíme vrabce....
Vycházeje z této myšlenky začali teoretici zkoumat, co se stane s hmotou, když překročí Schwarzschildovu plochu. A tam objevili všechny dříve zmíněné strašidelnosti. Vlastní čas částice se stává… čistě imaginárním. Rychlost částice překračuje rychlost světla. Stává se tachyonem, jehož hmotnost je… imaginární, atd., atd.
Někteří dokonce navrhli (a to se objevuje ve všech knihách), že uvnitř této sféry se proměnná r stane časem a proměnná t stane… radiální vzdáleností.
Jean Heidmann, kosmolog z Meudon, nyní ve důchodu, měl zvyk říkat:
- Když mluvíme o černých dírách, musíme nechat svůj zdravý rozum v převlečném skříni...
V těchto podmínkách, pokud rozhodneme nechat zdravý rozum stranou, kde je hranice nesmyslu? Jak rozhodnout o vytvoření „fyziky nezaznamenatelného“? Je to případ „tmavé hmoty“, o které se říká a píše cokoli, s desítkami článků denně. Nikdo se zdá nepřemýšlet o dvojitém modelu, rozsáhle vyvinutém na mé webové stránce. Nicméně zahraniční výzkumníci (Čína, Japonsko) se zdají být velmi zaujati.
Na tomto místě je nový fakt. V letech 88–89 jsem publikoval tři články v Modern Physics Letters A (reprodukovány na webu), které zavedly předchozí neznámou myšlenku kosmologie, ve které se mohou měnit fyzikální konstanty, včetně svaté rychlosti světla c. Tato myšlenka byla „znovuobjevena“ v roce 1993. Od té doby bylo publikováno mnoho článků v velmi vysoce vybíracích časopisech jako Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Existuje už poměrně velká skupina „proměnných konstant“. Někteří z nich objevili mé práce prostřednictvím internetu. U mnoha to byla úplná zášť, zejména protože práce pocházely z Francie, země, která se nikdy nevynořila jako inovativní v kosmologii nebo dokonce v astrofyzice (oblasti typicky německé, ruské, americké, anglické). Kontakt byl navázán velmi přátelsky. Číňan, bez ztráty humoru, řekl, že se okamžitě vrhli na atlas, aby zjistili, kde je Marseille „připadající jako neznámá oblast světa“.
Proč tato odbočka? Protože podle nás by měla extrémní vzestup tlaku ve středu neutronové hvězdy ovlivnit fyzikální konstanty a vytvořit „hypertorický most“ mezi vesmírem a jeho dvojníkem. Tato myšlenka je stále potřebná k doložení. Nicméně, pokud bude potřeba pomoc při této práci, může přijít z „proměnných konstant“, kteří už tento krok udělali. Zatím jsme jediní „dvojníci“, ale to možná nevydrží navždy.
Podle nás by tedy kontext dvojníka měl zcela změnit scénář destabilizované neutronové hvězdy. Ale než jsme schopni navrhnout konkurenční model, museli jsme pečlivě prozkoumat klasický model černé díry. To je právě to, co je provedeno v tomto dlouhém článku. Věci nejsou zpracovány „v pořadí“. V jedné sekci jsme pečlivě prozkoumali práci Kruskala a ukázali nedostatky jeho přístupu.
Vše má svůj důvod. Kruskal v roce 1960 zjistil, že rychlost světla v původním modelu („Schwarzschildově metrice“) je nulová na dané sféře, tzv. „horizontu“, alias Schwarzschildově sféře. Proto hledal léčbu tohoto „onemocnění“.
Ale jak pracuje člověk s těmito geometrickými řešeními? Může vynalézt jiná? Odpověď zní: ne. Vím, že jsme ve článku dobře ukázali arbitrárnost volby souřadnic. Podstatou je, že geometrické řešení je „invariantní vůči souřadnicím“, nezávisí na zvolených souřadnicích. Představte si mydlinu. Je to plocha. V určitém smyslu je to řešení rovnice pole, které odpovídá tomu, že energie vynaložená na napětí, aby vyrovnala konstantní tlak uvnitř mydliny, je konstantní po celé její ploše. Na otázku:
- Jaká plocha reaguje mechanicky tak, aby odolala vnitřnímu přetlaku?
Odpověď zní:
- Je to koule.
Ale tato koule, geometrický objekt, existuje nezávisle na soustavě souřadnic, kterou používáme k určení jejích bodů. Víme však, že například při použití systému poledníků a rovnoběžek vznikají polární singularity, „předstírající“ singularity, které nejsou skutečné. Jsou to tedy singularity způsobené volbou souřadnic. U koule jsou tyto singularity nevyhnutelné. Níže je koule s jejím systémem určení pomocí souřadnic zeměpisná šířka – délka:
Poznámka: Můžeme kartografickou mapu koule vytvořit, vybavit ji dvourozměrným systémem souřadnic pouze s jedním pólem. Viz obrázky níže:
První zobrazení, první rodina křivek s jedním parametrem získaná řezem koule rovinami procházejícími přímou tečnou v jednom jejím bodě.
Spojíme s druhou rodinou křivek získaných řezem téže koule jinými rovinami procházejícími jinou tečnou přímkou v tom samém bodě, např. kolmou na první.
...Spojíme s druhou rodinou křivek získaných řezem téže koule jinými rovinami procházejícími jinou tečnou přímkou v tom samém bodě, např. kolmou na první.
Koule, takto kartograficky zobrazená, pohledem z jiného úhlu, který skrývá její jedinou singularitu. **** **** Obsah Další stránka ../../Copie%20de%20Extensions/presentation/PQ2.htm