Präsentation des Artikels „Zweifelhaftes Schwarzes Loch“ – Französische Übersetzung: D

Präsentation des Artikels

Zweifelhafter Schwarzes Loch

Französische Übersetzung:

Zweifel an der Existenz von Schwarzen Löchern.

Autoren:

Jean-Pierre Petit, Observatorium Marseille

Pierre Midy, CRI Orsay.

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Diese Arbeit stellt das Ergebnis zehnjähriger Bemühungen dar. In den letzten 30 Jahren hatten Astrophysiker nur einen Begriff auf den Lippen: „Schwarze Löcher“. Das Thema fasziniert die Öffentlichkeit, und bereits mehrere Bücher wurden ihm gewidmet. Dennoch fehlt weiterhin die beobachtende Bestätigung: Schwarze Löcher „strahlen durch ihre Abwesenheit“. Und doch ist das All riesig. Unsere Galaxie allein enthält mindestens 100 bis 200 Milliarden Sterne.

Die Existenz bestimmter Objekte wurde durch Beobachtungen nachgewiesen, beispielsweise Quasare. Heute kennen wir mehr als viertausend davon. Das bedeutet nicht, dass wir diese Objekte vollständig verstehen, wie sie entstehen, wie sie sich entwickeln und wie lange sie leben. Tatsächlich wissen wir nichts über sie. Sie sind lediglich katalogisiert, so wie es zu Zeiten des Astronomen Messier mit „Nebeln“ geschah.

Offenbar leben bestimmte Quasare im Zentrum von Gebilden vom Typ Galaxie. Diese Galaxien haben einen „aktiven Kern“, was gleichzeitig alles und nichts bedeuten kann – wir wissen nichts über die Natur dieser Aktivität, zum Beispiel nicht, was ihre Energiequelle ist.

Die zeitgenössische Astrophysik scheint sich mit wenig zufrieden zu geben. Auf die Frage:

• Was ist ein Quasar?

antwortet der Astrophysiker:

• Es ist der Kern einer aktiven Galaxie.

Und auf die Frage:

• Was ist eine aktive Galaxie?

wird er antworten:

• Es ist eine Galaxie mit einem Quasar in ihrem Zentrum...

Vor einigen Jahren entdeckten wir „Gamma-Blitze“, einen pro Tag. Das Cover der französischen Zeitschrift Ciel et Espace (Himmel und Raum) trug einst die Schlagzeile „Gamma-Blitze: Ein Rätsel endlich gelöst“. Die Antwort in den Spalten der Zeitschrift lautete: Ein kleiner, heller Punkt wurde gerade an der Position eines detektierten Gamma-Blitzes beobachtet. Das bedeutet: Ein Rätsel zu lösen bedeutet zu wissen, dass Bereiche des Himmels, die Blitze aussenden, auch Licht aussenden....

Ist das nicht ein wenig ... armselig?

Umgekehrt gibt es andere Objekte, deren Existenz vor ihrer Beobachtung oft mit guter Präzision vermutet wurde. Das typische Beispiel ist die Supernova, die 1931 vom amerikanischen Astrophysiker (schweizerischer Herkunft) Fritz Zwicky während einer berühmten Konferenz am Caltech, USA, beschrieben wurde. Zwicky erklärte damals, dass ausreichend massereiche Sterne, sagen wir mit Massen über zwanzig Sonnenmassen, ein paroxysmales Ende nehmen sollten, mit einem Leistungsanstieg innerhalb weniger Tage, wobei das gesamte Phänomen etwa zwanzig Tage andauert. Es war eine bemerkenswerte Vorhersage, obwohl sie damals nicht ernst genommen wurde. Dennoch entdeckte Zwicky, beharrlich wie er war, die ersten Supernovae. Heute kennen wir mehrere hundert davon. Ähnlich verhält es sich mit Neutronensternen, die später mit Pulsaren (rotierenden Neutronensternen) und Weißen Zwergen identifiziert wurden. Auch diese Kategorie umfasst mehrere hundert identifizierte Individuen.

Das Schwarze Loch wurde als Antwort auf ein Problem vorgeschlagen: Was wird aus einem Neutronenstern, der eine bestimmte „kritische Masse“ überschreitet? Diese eindeutig identifizierten Neutronensterne ähneln enormen Atomkernen ohne Protonen. Warum bestehen diese Objekte ausschließlich aus Neutronen?

Wir betrachten Neutronensterne als das, was vom Eisenkern eines massereichen Sterns nach dessen Explosion übrig bleibt. Ein massereicher Stern ist ein Stern, in dem während seiner Lebensdauer mehrere Arten von Fusion stattfinden. Er endet damit, Eisen zu produzieren, das an keiner weiteren exoenergetischen Fusionsreaktion mehr teilnehmen kann. Dieses schwere Eisen fällt daher zum Zentrum des Sterns, wie Asche in einem Kamin. Wenn dem Stern plötzlich der Brennstoff ausgeht (wie Zwicky erkannte), kollabiert er in sich selbst – mit 80.000 Kilometern pro Sekunde (natürlich mit einer Toleranz von einem Kilometer pro Sekunde). Wenn das Gas auf den Eisenkern fällt, wird es stark komprimiert. Es prallt nicht nur ab, sondern es finden mehrere Fusionsreaktionen statt, die nicht mehr exoenergetisch sein müssen, da die Energie aus der brutalen Kontraktion des Sterns in sich selbst stammt. Es entstehen alle möglichen Kernspezies, darunter viele radioaktive Atome mit extrem variablen Lebensdauern. Im Jahr 1987 gab die Explosion des Sterns Sanduleak in der Magellanschen Wolke eine eindeutige Bestätigung der Existenz solcher Phänomene (nur 150.000 Lichtjahre entfernt).

Das Phänomen zerquetscht den Eisenkern vollständig, indem es seine Atome zerschlägt. Er wird so stark in sich komprimiert, dass Elektronen nicht mehr genügend Raum haben, um sich zwischen den Nukleonen zu bewegen. Gefangen, kombinieren sie sich daher mit Protonen zu Neutronen und Neutrinos.

Normalerweise wirkt dem Phänomen, das wir als Druck bezeichnen, bei der Kompression eines Gases entgegen. Dies gilt auch für eine Flüssigkeit oder einen Feststoff (alles ist komprimierbar). Dies geschieht, wenn ein junger Stern geboren wird. Der Protostern ist eine Gasmasse, die sich in sich selbst zusammenballt. Dabei erhitzt er sich jedoch, und die Druckkraft begrenzt die Kontraktion. Er ist ein schlechter Strahler, muss aber Energie durch Strahlung (Infrarot) verlieren, bevor er sich genug kontrahieren kann, um ein echter Stern zu werden. Wenn jedoch seine Masse unzureichend ist, wird er zu einem „großen Jupiter“ (dieser Riesenplanet strahlt weiterhin mehr Energie ab, als er von der Sonne empfängt, wird aber niemals ein Stern).

Wenn die Explosion einer Supernova den Eisenkern komprimiert, gibt dieser seine Energie ab, indem er eine fantastische Menge von... Neutrinos aussendet. Hier ändert sich das Szenario vollständig: Die radiative Abkühlung ist instantan, weil die Neutrinos problemlos entweichen können. Kein Gegendruck also. Der Eisenklumpen wird erbärmlich zerquetscht. Es bleibt nur ein Haufen Neutronen, die wie Japaner in der U-Bahn während der Stoßzeit aneinandergedrückt sind.

Warum eine kritische Masse? Weil die Neutronen keinen Druck größer als einen Maximalwert aushalten können. Wie Glühbirnen, die in einem Schacht gestapelt sind. Nach einer bestimmten Anzahl von Birnen wird das Glas brechen und ein Haufen Scherben auf den Boden des Schachts fallen.

Wenn ein Neutronenstern eine Masse hat, die etwas größer als die doppelte Sonnenmasse ist, wird der Druck in seinem Kern zu groß. Die Neutronen können ihn nicht mehr tragen. Es wird dann angenommen, dass er in sich selbst kollabiert und kein bekanntes physikalisches Phänomen diesem „gravitativen Kollaps“ entgegenwirken kann. Eine beunruhigende Perspektive für einen Astrophysiker.

Noch bevor er explodiert, ist ein Neutronenstern ein „Relativist“, im Gegensatz zu einem „newtonschen“ Objekt. Dies zeigt sich am Aspekt der Trajektorien der „Referenzpartikel“ in der Nähe einer Masse m (eines Atoms, zum Beispiel). Wir wissen, dass das Phänomen der Raumzeitkrümmung eine Präzession der elliptischen Umlaufbahn des Merkur bewirkt. Aber die Präzession ist gering. Die folgende Abbildung, erstellt aus Computerberechnungen, zeigt jedoch die wichtige Präzession einer quasi-elliptischen Bahn um einen Neutronenstern.

Es kommt also nicht in Frage, einen Neutronenstern mit „newtonschem Material“ zu beschreiben.

Das Berechnungsprogramm ist relativ einfach, und eines Tages, wenn ich Zeit habe, werde ich es auf die Website stellen, damit Sie damit spielen und das Phänomen der Gravitationslinse zeigen können (im Folgenden sehr übertrieben dargestellt):

Da es also darum geht, das Schicksal eines Neutronensterns zu beschreiben, der die Kritikalität erreicht, muss eine „Feldgleichung“ verwendet werden, die von Einstein.

S = c T

T ist ein „Tensor“, der den lokalen Gehalt an „Materie-Energie“ beschreibt. Der Tensor ist im Außenbereich null und im Innenbereich nicht null. Die geometrische Lösung muss daher aus zwei Gleichungen abgeleitet werden.
Für den Innenbereich:

S = c T

für den Innenbereich

S = 0

Lösungen für diese Art von Gleichungen werden „Metriken“ genannt. Allerdings ist es gleichgültig, welche Form die Objekte annehmen. Außerdem sind sie „Tensoren“, und um zu verstehen, was ein Tensor ist, viel Glück ... Es hat mich eine ganze Weile gekostet.

Die Sonne ist mit einer lokalen „Geometrie“ assoziiert, die die Lösung für die beiden Gleichungen ist. Die erste beschreibt das Innere der Sonne und die zweite das Vakuum um sie herum. Wir können jedoch nur eine Art „ideale Sonne“ beschreiben, die aus einer mit Materie konstanter Dichte gefüllten Kugel besteht. Aber das ist besser als nichts. Diese Lösungen haben mathematische Ausdrücke, auf die wir hier nicht eingehen werden. Sie werden Ihnen nichts sagen. Jede hat ihre eigene „persönliche Pathologie“. Wir nennen rn den Radius des Sterns, der konstante Dichte r hat. Aus dieser Dichte r und dem Wert c der Lichtgeschwindigkeit können wir einen ersten charakteristischen Radius, „R circumflex“, berechnen:

Die geometrische Innenlösung ist „nicht-pathologisch“, wenn und nur wenn der Wert des Radius rn kleiner als dieser kritische Wert ist.

Mit denselben Daten können wir den zweiten charakteristischen Radius berechnen:

den wir den „Schwarzschild-Radius“ Rs nennen. Die Außenlösung, die sich auf das „Vakuum“ bezieht, das unseren Stern konstanter Dichte r und konstantem Radius umgibt, wird nicht-pathologisch sein, wenn und nur wenn der Wert des Sternradius rn größer als diese charakteristische Länge ist. Wenn man beide zusammenfasst, muss gelten:

Die Größe rechts hängt von der Dichte des Sterns ab (zwischen 10^15 und 10^16 Gramm pro Kubikzentimeter). Bei konstanter Dichte steigt die Größe links mit der dritten Potenz des Radius Rn des Sterns.

Dies gilt für die Sonne, die in erster Näherung als Stern konstanter Dichte betrachtet wird. Was meinen wir mit „Pathologien“? Alles: Größen unter Wurzeln, die negativ werden, Nenner, die null werden. Wir sehen also, dass ein Stern konstanter Dichte nicht durch den folgenden Typ stationärer Lösung beschrieben werden kann:

Der „Schwarzschild-Radius“ der Sonne beträgt 3,7 km: weit im Inneren (rn). Sie können viel Spaß beim Berechnen haben, da sein Radius 695.000 km beträgt und der Wert des zweiten kritischen Radius „R circumflex“ höher ist.

Wenn es sich um die Sonne handeln würde, wäre der Schwarzschild-Radius (3,7 km) auf der Skala der Abbildung nur ein Punkt, und der Radius „R circumflex“ würde weit über das Blatt hinausgehen. Die obige Abbildung bezieht sich eher auf einen „subkritischen Neutronenstern“.

Wie vollzieht sich der „Anstieg zur Kritikalität“? Es genügt, Schichten von Neutronen hinzuzufügen, wobei die Dichte konstant bleibt (wir vergleichen den Neutronenstern, wenn nicht mit einem Festkörper, so doch mit einem praktisch inkompressiblen Flüssigkeitstropfen).

Wir erhalten die obigen Kurven einfach durch Verwendung der angezeigten Formel. Der Radius des Sterns nimmt zu, aber der „Schwarzschild-Radius“ holt ihn ein. Und beide treffen sich, wenn rn den Wert „R circumflex“ erreicht. Dann wird auf der Oberfläche des Sterns die Größe unter den Wurzeln negativ, die Nenner werden null usw. Dies ist die mathematische, geometrische Übersetzung der Kritikalität. Was einfach bedeutet, dass es unmöglich ist, den Stern unter Verwendung einer oder beider kombinierter geometrischer Lösungen zu beschreiben, die aus der Einstein-Gleichung mit dem zweiten Term nicht null (innen) oder null (außen) erhalten werden. Der maximale charakteristische Wert dieses Radius beträgt etwa 20 Kilometer. Aus diesem kann die Dichte des Neutronensterns berechnet werden.

Aber es gibt etwas, das wenig bekannt ist, auch unter „Kosmos-Menschen“, obwohl es aus Arbeiten stammt, die in den 40er Jahren durchgeführt wurden: Es gibt eine andere Kritikalität, diesmal physikalischer Natur, die auftritt, kurz bevor der Radius des Sterns diesen Wert erreicht. Es ist ein extrem naher Wert, der nur um 5 % niedriger ist. Aber wenn der Radius des Sterns ihn erreicht oder, was auf dasselbe hinausläuft, die Masse einen Wert erreicht, der doppelt so hoch ist wie die Sonnenmasse, wird der Druck im Zentrum des Sterns unendlich, aufgrund eines in den 40er Jahren von Tolman, Oppenheimer und Volkov (dem Oppenheimer der Bombe) entwickelten „TOV“-Modells.

Druck im Inneren eines Neutronensterns in Abhängigkeit vom Abstand vom Zentrum für verschiedene Werte der Objektmasse.

Dies ist ein grundlegendes Datum für uns.

Nachfolgend die Entwicklung des Drucks im Inneren des Neutronensterns in Abhängigkeit von der Entfernung zu seinem Zentrum für verschiedene Massen:

...Vielleicht stellen sich Wissenschaftler, wie andere auch, keine Fragen, von denen sie glauben, dass sie keine Antwort darauf geben können. Wie antwortet man auf die Frage:

• Was passiert in einem Medium, in dem an einem bestimmten Punkt der Druck plötzlich unendlich wird?

Aber niemand hat die Frage gestellt, zumindest nicht auf diese Weise. Offenbar ist es niemandem aufgefallen. Viele Kosmologie-Spezialisten, mit denen ich gesprochen habe, waren sich dieses Aspekts nicht bewusst.

Kehren wir zur „Geschichte des Schwarzen Lochs“ zurück. Man könnte sagen: Das Implosionsphänomen eines destabilisierten Neutronensterns ist ein nicht-stationäres Phänomen. Lassen Sie uns daher eine nicht-stationäre Lösung für das Ensemble der beiden obigen Gleichungen konstruieren. Aber wir wissen nicht, wie man das glaubwürdig tut. Also wandten sich die Theoretiker der „Außenlösung“ zu (die beispielsweise die Geometrie außerhalb der Sonne beschreibt und am Schwarzschild-Radius von 3,7 km „pathologisch“ wird).

• Mit anderen Worten: „Nimm die Sonne weg“ und lass uns die Eigenschaften dieser Geometrie untersuchen. Einfach so...

• Aber es ist eine Lösung, die sich auf ein leeres Universum bezieht?!

• Ignorieren wir das, schauen wir, was herauskommt ...

Die Studie begann mit den radialen Trajektorien von Objekten im freien Fall auf das zu, was unter diesen Bedingungen „ein Schwarzes Loch von Sonnenmasse“ mit 3,7 km Durchmesser wäre. Die Variable t wurde beibehalten; sie sollte sich auf die Zeit beziehen, die ein „äußerer Beobachter“ erlebt, ein guter Erdenbürger, der die Sonne betrachtet, die er gerade weggezaubert hat. Es wurde entdeckt, dass die freie Fallzeit jedes Testteilchens, gemessen nach dieser Zeit, unendlich wird. Wenn wir jedoch eine Uhr an das besagte Teilchen befestigen würden, würde es in einer endlichen Zeitspanne das geometrische Zentrum des Objekts erreichen.

Die Theoretiker schlugen daher folgende Sichtweise vor:

• Diese stationäre Außenlösung findet eine neue, providentielle Verwendung. In der Tat findet der gravitative Kollaps in einer sehr kurzen Zeitspanne statt (etwa ein Zehntausendstel Sekunde für einen destabilisierten Neutronenstern). Da das Phänomen jedoch für einen „äußeren Beobachter“ unendlich lange zu dauern scheint, kann eine stationäre Lösung verwendet werden, um ein eminent nicht-stationäres Phänomen zu beschreiben.

Wenn es keine Amseln gibt, essen wir Stare....

Ausgehend von dieser Idee begannen die Theoretiker zu fragen, was mit der Materie geschieht, wenn sie die Schwarzschild-Oberfläche durchquert. Und dort fanden sie alle zuvor erwähnten Schrecken. Die Zeit des Teilchens wurde... reine Fantasie. Die Geschwindigkeit des Teilchens überstieg die Lichtgeschwindigkeit. Es wird zu einem Tachyon, dessen Masse ... imaginär ist usw., usw.

Einige schlugen sogar vor (und man findet es in vielen Büchern), dass im Inneren der Kugel die Variable r sich in Zeit und die Variable t sich in ... radialen Abstand verwandelt.

Wie Jean Heidmann, Kosmologe in Meudon, nun im Ruhestand, zu sagen pflegte:

• Wenn die Rede auf Schwarze Löcher kommt, muss man seinen gesunden Menschenverstand in der Garderobe lassen...

Unter diesen Bedingungen, wenn wir beschließen, den gesunden Menschenverstand zu vergessen, wo liegt die Grenze der Unvernunft? Wie entscheiden wir uns, eine „Physik des Unbeobachtbaren“ aufzubauen? Dies ist der Fall bei „dunkler Materie“, über die alles und nichts gesagt und geschrieben wird, oft mit einer Rate von mehreren Dutzend Artikeln pro Tag. Niemand scheint sich mit dem Zwillingsmodell befasst zu haben, das auf meiner Website ausführlich entwickelt wurde. Allerdings scheinen einige ausländische Forscher (China, Japan) es gut aufgegriffen zu haben.

Es gibt Neuigkeiten in diesem Bereich. In den Jahren 88-89 veröffentlichte ich drei Artikel in Modern Physics Letters A (auf der Website reproduziert), die die beispiellose Idee einer Kosmologie lancierten, in der physikalische Konstanten variieren können, einschließlich der sakrosankten Lichtgeschwindigkeit c. Die Idee wurde 1993 „wiederentdeckt“. Seitdem wurden zahlreiche Papiere in sehr selektiven Zeitschriften wie Physical Review, Classical and Quantum Gravity veröffentlicht. Es gibt bereits eine recht große Gruppe von „Konstanten-Variierern“. Einige von ihnen haben meine Arbeit auf der Internet-Site entdeckt. Viele von ihnen waren verblüfft, noch mehr dadurch, dass die Arbeit aus Frankreich stammte, einem Land, das sich nie durch eine wichtige Innovation in der Kosmologie oder sogar in der Astrophysik bemerkbar gemacht hat (Felder, die typischerweise deutsch, russisch, amerikanisch oder britisch sind). Der Kontakt wurde auf sehr herzliche Weise hergestellt. Die Chinesen sagten nicht ohne Humor, dass sie ihren Atlas heraussuchen mussten, um den Standort von Marseille zu finden, und „den Eindruck hatten, eine unbekannte Region der Erde zu entdecken“.

Warum diese Abschweifung? Weil unserer Meinung nach der schwindelerregende Druckanstieg im Kern des Neutronensterns die physikalischen Konstanten verändern und eine „hypertorische Brücke“ zwischen dem Universum und seinem Zwilling schaffen sollte. Es ist eine Idee, die weiterer Untersuchung bedarf. Dies gesagt, wenn Hilfe bei diesem Unternehmen benötigt wird, wird sie höchstwahrscheinlich von den „Konstanten-Variierern“ kommen, die die Linie bereits überschritten haben. Vorerst sind wir die einzigen „Zwillingsanhänger“, aber die Dinge könnten nicht immer so bleiben.

Unserer Meinung nach sollte der Zwillingskontext daher das Szenario für einen destabilisierten Neutronenstern vollständig verändern. Bevor wir jedoch ein herausforderndes Modell vorschlagen können, müssen wir das klassische Modell des Schwarzen Lochs studieren. Genau das wird in diesem langen Papier getan. Die Dinge werden nicht „der Reihe nach“ behandelt. In einem Abschnitt haben wir Kruskals Arbeit sorgfältig betrachtet und die Fehler in seinem Ansatz aufgezeigt.

Alles ist motiviert. 1960 hatte Kruskal bemerkt, dass in dem ursprünglichen Modell (der „Schwarzschild-Metrik“) die Lichtgeschwindigkeit auf der betreffenden Kugel, der „Horizontkugel“, alias der Schwarzschild-Kugel, null war, und machte sich daran, diese „Krankheit“ zu heilen.

Aber wie arbeitet man an geometrischen Lösungen? Können andere erfunden werden? Die Antwort ist nein. Ich glaube, dass der Artikel den willkürlichen Charakter der Wahl der Koordinaten deutlich zeigt. Von ihrem Wesen her ist eine geometrische Lösung „koordinateninvariant“, sie hängt nicht von den gewählten Koordinaten ab. Stellen Sie sich eine Seifenblase vor. Sie ist eine Oberfläche. In einem Sinne ist sie eine Lösung einer Feldgleichung, die der Tatsache entspricht, dass die zur Kompensation eines konstanten Drucks im Inneren der Blase benötigte Spannung auf ihrer gesamten Oberfläche konstant ist. Auf die Frage:

• Welche Oberfläche reagiert mechanisch so, dass sie einen internen Überdruck tragen kann?

Lautet die Antwort:

• Es ist eine Kugel.

Aber diese Kugel, ein geometrisches Objekt, existiert unabhängig von dem Koordinatensystem, das verwendet wird, um ihre Punkte zu identifizieren. Nun wissen wir, dass wir bei der Verwendung eines Systems von Meridianen und Breitenkreisen polare Singularitäten erzeugen, scheinbar singuläre Punkte, obwohl sie es in Wirklichkeit nicht sind. Es sind Singularitäten, die durch die Wahl der Koordinaten induziert werden. Im Fall der Kugel sind diese Singularitäten übrigens unvermeidlich. Die folgende Abbildung zeigt eine Kugel und ihr Markierungssystem aus Breiten- und Längenkoordinaten.

Bemerkung: Wir können eine Kugel abbilden, ihr ein Markierungssystem mit zwei Parametern geben, indem wir nur einen Pol verwenden. Siehe die folgenden Abbildungen:

Erste Markierung, erste Kurvenschar mit einem Parameter a, erhalten durch Schnitt der Kugel mit Ebenen durch eine Gerade, die an einem ihrer Punkte tangiert.

Diese wird mit der zweiten Kurvenschar kombiniert, die durch Schnitt derselben Kugel entlang einer anderen Geraden erhalten wird, die die Kugel am selben Punkt tangiert, beispielsweise orthogonal zur ersten.

Die so abgebildete Kugel, gesehen von einem anderen Winkel, der ihre einzige Singularität verdeckt.