Παρουσίαση του άρθρου Υπονοούμενη μαύρη τρύπα

Παρουσίαση του άρθρου " Αμφιβόλως μαύρος τρύπα"

Μετάφραση στα γαλλικά:
Αμφιβολίες για την ύπαρξη μαύρων τρύπων.

Για να πάτε απευθείας στο επιστημονικό άρθρο

Συγγραφείς:

Jean-Pierre Petit, Παρατηρητήριο του Μαρσέιλας, Pierre Midy, CRI του Orsay.

Αυτή η εργασία αποτελεί το αποκορύφωμα δέκα ετών προσπαθειών. Εδώ και 30 χρόνια, οι αστροφυσικοί μιλούν μόνο για "μαύρες τρύπες". Ο όρος φαντασιώνει το ευρύ κοινό. Πολλά βιβλία έχουν αφιερωθεί στο θέμα. Ωστόσο, οι παρατηρησιακές επιβεβαιώσεις λείπουν: οι μαύρες τρύπες "φωτίζουν με την απουσία τους". Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι το σύμπαν είναι τεράστιο. Η δική μας γαλαξία περιέχει τουλάχιστον 100 έως 200 δισεκατομμύρια αστέρες.

Η ύπαρξη κάποιων αντικειμένων έχει αποκαλυφθεί μέσω παρατήρησης, όπως για παράδειγμα τα κβάσαρ. Τώρα γνωρίζουμε περισσότερα από τέσσερα χιλιάδες. Αυτό δεν σημαίνει ότι γνωρίζουμε ακριβώς τι είναι αυτά τα αντικείμενα, πώς δημιουργούνται, πώς εξελίσσονται και πόσο διαρκούν. Στην πραγματικότητα, δεν γνωρίζουμε τίποτα γι' αυτά. Απλώς καταχωρούνται, όπως παλαιότερα οι "νεφέλες", στην εποχή του αστρονόμου Messier.

Φαίνεται ότι ορισμένα κβάσαρ βρίσκονται στο κέντρο δομών με μορφή γαλαξία. Αυτοί οι γαλαξίες έχουν λοιπόν "ενεργό πυρήνα", πράγμα που σημαίνει ταυτόχρονα πολλά και τίποτα, επειδή δεν γνωρίζουμε τη φύση αυτής της δραστηριότητας, για παράδειγμα ποια είναι η πηγή ενέργειας.

Η σύγχρονη αστροφυσική φαίνεται να είναι ικανοποιημένη με λίγα πράγματα. Στην ερώτηση

• Τι είναι ένα κβάσαρ;

Ο αστροφυσικός θα απαντήσει:

• Είναι ο πυρήνας ενός ενεργού γαλαξία.

Και στην ερώτηση:

• Τι είναι ένας ενεργός γαλαξίας;

Θα απαντήσει:

• Είναι ένας γαλαξίας που έχει ένα κβάσαρ στο κέντρο του.

Πρόσφατα, πριν από μερικά χρόνια, ανακαλύφθηκαν οι "φωτεινές εκρήξεις γάμα", μία κάθε μέρα. Το περιοδικό Ciel et Espace τίτλωσε μία φορά στην εξώφυλλο: "Οι φωτεινές εκρήξεις γάμα: ένα παζλ τελικά λυμένο". Απάντηση στις σελίδες του εφημερίδας: μόλις είχαν τοποθετήσει μία μικρή φωτεινή κηλίδα αντί για μία φωτεινή έκρηξη γάμα που είχε ανιχνευθεί. Ακούγεται λοιπόν: να λύσεις ένα παζλ σημαίνει να μάθεις ότι τα τμήματα του ουρανού που εκπέμπουν αυτές τις εκρήξεις εκπέμπουν επίσης φως...

Δεν είναι λίγο... αδύναμο;

Αντιστρόφως, υπάρχουν άλλα αντικείμενα των οποίων η ύπαρξη είχε υποθετικά προβλεφθεί, συχνά με μεγάλη ακρίβεια, πριν ακόμα να τα έχουν παρατηρήσει. Το τυπικό παράδειγμα είναι η υπερνόσα, περιγραφή που δόθηκε από τον αμερικανό αστροφυσικό (ελβετικής καταγωγής) Fritz Zwicky το 1931, κατά τη διάρκεια μίας διάσημης ομιλίας στο Caltech, ΗΠΑ. Τότε Zwicky εξήγησε ότι οι αστέρες αρκετά μαζικοί, των οποίων η μάζα θα υπερέβαινε περίπου είκοσι ηλιακές μάζες, θα πρέπει να έχουν μία κορυφαία τελική φάση, με αύξηση σε λίγες ημέρες, ενώ το σύνολο του φαινομένου διαρκεί περίπου είκοσι ημέρες. Ήταν μία πρόβλεψη αξιοσημείωτη, ακόμα και αν δεν την πήραν σοβαρά τότε. Ωστόσο, Zwicky, ρεαλιστής, ανακάλυψε τις πρώτες υπερνόσες. Σήμερα γνωρίζουμε περίπου δεκάδες εκατοντάδες. Το ίδιο συμβαίνει με τις αστέρες νετρονίων, που αναγνωρίστηκαν αργότερα ως πολύπλοκα αστέρια (αστέρια νετρονίων σε περιστροφή) και τις λευκές νάνες. Εδώ επίσης, ο κατάλογος, η είδος, περιλαμβάνει πολλές εκατοντάδες αναγνωρισμένα μέλη.

Η μαύρη τρύπα προτάθηκε ως απάντηση σε ένα πρόβλημα: το μέλλον ενός αστέρα νετρονίων που υπερβαίνει μία συγκεκριμένη "κρίσιμη μάζα". Αυτοί οι αστέρες νετρονίων, που έχουν αναγνωριστεί σωστά, μοιάζουν με τεράστιους πυρήνες ατόμων, χωρίς πρωτόνια. Γιατί αυτά τα αντικείμενα αποτελούνται μόνο από νετρόνια;

Θεωρούμε τον αστέρα νετρονίων ως αυτό που απομένει από τον σίδηρο πυρήνα ενός μαζικού αστέρα, μετά την έκρηξή του. Ένας μαζικός αστέρας είναι ένας αστέρας όπου πολλά είδη συγχωρισμών συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ζωής του. Τελικά παράγει σίδηρο, ο οποίος δεν μπορεί πλέον να συμμετέχει σε εξωθερμικές συγχωρισμούς. Αυτός ο βαρύς σίδηρος πέφτει λοιπόν στο κέντρο του αστέρα, όπως το κάθαρμα σε μία φωτιά. Όταν ο αστέρας αιφνιδιαστικά εξαντλήσει την ενέργεια του συγχωρισμού (όπως είχε καταλάβει ο Zwicky), πέφτει πάνω στον εαυτό του με 80.000 χιλιόμετρα την δευτερόλεπτο (περίπου με κάποια χιλιόμετρα την δευτερόλεπτο, φυσικά). Όταν πέφτει στον σίδηρο πυρήνα, αυτός ο αέριος συμπιέζεται δριμύτατα. Δεν μόνο ανακλάται από αυτόν, αλλά κατά τη διάρκεια πολλών συγχωρισμών συμβαίνουν εκεί, οι οποίοι δεν χρειάζονται να είναι εξωθερμικοί, επειδή η ενέργεια προέρχεται τώρα από την απότομη συμπίεση του αστέρα στον εαυτό του. Τότε δημιουργούνται όλες οι δυνατές και φανταστικές νουκλεϊκές είδη, συμπεριλαμβανομένων πολλών ραδιενεργών ατόμων με πολύ διαφορετική διάρκεια ζωής. Γνωρίζουμε ότι το 1987 η παρατήρηση της έκρηξης του αστέρα Sanduleak στο νέφος του Magellan έδωσε μία τελική επιβεβαίωση για την ύπαρξη τέτοιων φαινομένων (σε απόσταση μόνο 150.000 ετών φωτός).

Το φαινόμενο συμπιέζει πλήρως τον σίδηρο πυρήνα, διαλύοντας τα άτομά του. Τώρα βρίσκεται τόσο συμπιεσμένος πάνω στον εαυτό του, ώστε τα ηλεκτρόνια δεν έχουν αρκετό χώρο για να κινηθούν μεταξύ των νουκλεονίων. Περικλεισμένα, συνδυάζονται με τα πρωτόνια για να δημιουργήσουν νετρόνια και νετρίνα.

Κανονικά, όταν συμπιέζουμε ένα αέριο, ένα φαινόμενο που ονομάζεται πίεση αντιστέκεται στη συμπίεση. Αυτό ισχύει και για υγρά ή στερεά (όλα είναι συμπιεστά). Γίνεται, για παράδειγμα, όταν μία νέα αστέρας γεννιέται. Η πρωτοαστέρα είναι μία μάζα αερίου που συμπιέζεται στον εαυτό της. Αλλά θερμαίνεται και η δύναμη πίεσης περιορίζει τη συμπίεσή της. Είναι μία αδύναμη ακτινοβολία και θα πρέπει να χάσει ενέργεια μέσω ακτινοβολίας (υπέρυθρη) πριν μπορέσει να συμπιεστεί αρκετά για να μετατραπεί σε πραγματικό αστέρα. Εκτός αν η μάζα της είναι ανεπαρκής, στην περίπτωση που θα γίνει "ένας μεγάλος Δίας" (αυτός ο τεράστιος πλανήτης συνεχίζει να ακτινοβολεί περισσότερη ενέργεια από όση λαμβάνει από τον Ήλιο, αλλά δεν θα μετατραπεί ποτέ σε αστέρα).

Όταν η έκρηξη της υπερνόσας συμπιέζει τον σίδηρο πυρήνα, αυτός εκπέμπει την ενέργειά του με μία φανταστική ποσότητα... νετρίνων. Εδώ, το σενάριο αλλάζει εντελώς: η ψύξη μέσω ακτινοβολίας είναι αμέσως, επειδή τα νετρίνα διαφεύγουν χωρίς δυσκολία. Άρα καμία δύναμη αντίθετης πίεσης. Το κομμάτι σιδήρου καταστρέφεται λυπηρά. Παραμένει μία στοίβα νετρονίων, συμπιεσμένη το ένα δίπλα στο άλλο, όπως οι Ιάπωνες στο μετρό τους κατά την ώρα της κορύφωσης.

Γιατί μία κρίσιμη μάζα; Επειδή τα νετρόνια δεν μπορούν να αντέξουν πίεση μεγαλύτερη από μία μέγιστη τιμή. Όπως λαμπτήρες στον κάθετο θάλαμο ενός γεωργικού πεδίου. Μετά από μία συγκεκριμένη ύψος λαμπτήρων, το γυαλί σπάει και ένα σύννεφο γυαλιού σπάσει πέφτει στον πυθμένα του θαλάμου.

Όταν ένας αστέρας νετρονίων έχει μάζα που υπερβαίνει λίγο περισσότερο από δύο φορές τη μάζα του Ήλιου, η πίεση στο κέντρο γίνεται υπερβολική. Τα νετρόνια δεν μπορούν να την αντέξουν. Τότε θεωρείται ότι καταρρέει στον εαυτό της, χωρίς κανένα γνωστό φυσικό φαινόμενο να μπορεί να αντισταθεί σε αυτή την κατάρρευση, αυτή τη "βαρυτική κατάρρευση". Απογοητευτική εικόνα για ένα φυσικό.

Πριν ακόμα να καταρρεύσει, ένας αστέρας νετρονίων είναι "σχετικιστικός", σε αντίθεση με ένα "νευτώνειο αντικείμενο". Αυτό εκφράζεται από τη μορφή των τροχιών "μαρτύρων σωματιδίων" κοντά (μία τυχαία μάζα m, ένα άτομο, για παράδειγμα). Γνωρίζουμε ότι το φαινόμενο της καμπύλωσης του χρόνου-χώρου προκαλεί μία προσεγγιστική περιστροφή της ελλειπτικής τροχιάς του Ερμή. Αλλά αυτή η προσεγγιστική περιστροφή είναι αμελητέα. Αντίθετα, το παρακάτω σχήμα, που προέρχεται από υπολογισμούς σε υπολογιστή, δείχνει μία έντονη προσεγγιστική περιστροφή μίας τροχιάς που είναι σχεδόν ελλειπτική γύρω από έναν αστέρα νετρονίων.

Άρα, δεν υπάρχει λόγος να περιγράψουμε έναν αστέρα νετρονίων με "νευτώνεια υλική".

Το πρόγραμμα υπολογισμού είναι αρκετά απλό και ένας μέρα που θα έχω χρόνο, θα το βάλω στο ιστοσελίδα για να μπορέσετε να παίξετε με αυτό, και επίσης να δείξετε το φαινόμενο (πολύ εντονό στο παρακάτω) της βαρυτικής λήψης:

Έτσι, όσον αφορά την περιγραφή του μέλλοντος ενός αστέρα νετρονίων που φτάνει στη κρίση, έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε μία "εξίσωση πεδίου", αυτή του Einstein. S = c T

T είναι ένας "τανυστής" που περιγράφει το τοπικό περιεχόμενο σε "υλικό-ενέργεια". Πριν από την κατάρρευση του αστέρα νετρονίων, αυτός ο τανυστής είναι μηδέν στο εξωτερικό και μη μηδέν στο εσωτερικό. Η γεωμετρική λύση πρέπει λοιπόν να προκύψει από δύο εξισώσεις:

S = c T

για το εσωτερικό S = 0

για το εξωτερικό.

Οι λύσεις αυτού του είδους ονομάζονται "μετρικές". Αλλά δεν έχει σημασία ποια μορφή παίρνουν αυτά τα αντικείμενα. Επίσης, είναι "τανυστές", και πριν να καταλάβεις τι είναι ένας τανυστής, γεια σου. Εγώ χρειάστηκα χρόνο.

Η ηλιακή μάζα συνδέεται με μία "γεωμετρία", τοπική, που είναι λύση αυτών των δύο εξισώσεων. Η πρώτη περιγράφει το εσωτερικό του Ήλιου και η δεύτερη το κενό γύρω από αυτόν. Ωστόσο, μπορούμε να περιγράψουμε μόνο ένα είδος "ιδανικού Ήλιου" που θα ήταν μία σφαίρα γεμάτη υλικό με σταθερή πυκνότητα. Αλλά είναι καλύτερο από τίποτα. Αυτές οι λύσεις έχουν μαθηματικές εκφράσεις που δεν θα δώσουμε. Δεν θα σας λέξουν τίποτα. Κάθε μία έχει "τη δική της πάθηση". Ας ονομάσουμε rn την ακτίνα του ουρανίου σώματος, με σταθερή πυκνότητα r. Από αυτή την πυκνότητα r, την τιμή c της ταχύτητας του φωτός υπολογίζουμε ένα πρώτο χαρακτηριστικό ακτίνα, "R καπέλο":

Η εσωτερική γεωμετρική λύση είναι "μη-παθολογική" αν και μόνο αν η τιμή της ακτίνας rn είναι μικρότερη από αυτή την κρίσιμη τιμή.

Από τα ίδια δεδομένα, μπορούμε να υπολογίσουμε ένα δεύτερο χαρακτηριστικό ακτίνα:

που ονομάζεται "ακτίνα Schwarzschild" Rs. Η εξωτερική λύση, που αναφέρεται στο "κενό" γύρω από το σώμα μας με σταθερή πυκνότητα r και ακτίνα θα είναι μη-παθολογική αν και μόνο αν η τιμή της ακτίνας rn του σώματος είναι μεγαλύτερη από αυτή τη χαρακτηριστική μήκος. Συνδυάζοντας τις δύο πρέπει να ισχύει:

Η ποσότητα που βρίσκεται στη δεξιά πλευρά εξαρτάται μόνο από την πυκνότητα του σώματος (μεταξύ 1015 και 1016 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό). Με σταθερή πυκνότητα, το αριστερό μέρος αυξάνεται ως το κύβο της ακτίνας rn του σώματος.

Αυτό ισχύει για τον Ήλιο, που θεωρείται ως ένα σώμα με σταθερή πυκνότητα, σε πρώτη προσέγγιση. Τι εννοούμε με "παθολογίες;" Όλα: ποσότητες κάτω από ρίζες που γίνονται αρνητικές, παρονομαστές που γίνονται μηδέν. Βλέπουμε λοιπόν ότι ένα σώμα με σταθερή πυκνότητα δεν μπορεί να περιγραφεί από αυτό το είδος σταθερής λύσης μόνο αν:

Η ακτίνα Schwarzschild του Ήλιου είναι 3,7 χιλιόμετρα: βρίσκεται πολύ μέσα σ' αυτήν (rn). Μπορείτε να δοκιμάσετε να υπολογίσετε, γνωρίζοντας ότι η ακτίνα του είναι 695.000 χιλιόμετρα, την τιμή αυτής της δεύτερης κρίσιμης ακτίνας "R καπέλο", που είναι μεγαλύτερη.

Αν πρόκειτο για τον Ήλιο, η ακτίνα Schwarzschild (3,7 χιλιόμετρα) θα ήταν σχεδόν σημειακή σε κλίμακα σχεδίου. Η ακτίνα "R καπέλο" θα ξεπερνούσε τη σελίδα. Το παρακάτω σχήμα αναφέρεται περισσότερο σε ένα "υποκρίσιμο αστέρα νετρονίων".

Πώς λοιπόν γίνεται η "ανόδους προς την κρίση;" Αρκεί να προσθέσουμε στρώσεις νετρονίων, αυξάνοντας την πυκνότητα σταθερή (αναλύουμε τον αστέρα νετρονίων, είτε ως στερεό, είτε τουλάχιστον ως μία υγρή σταγόνα πρακτικά ασυμπίεστη).

Παίρνουμε τις παρακάτω καμπύλες, απλώς με τη χρήση της δοθείσας εξίσωσης. Η ακτίνα του αστέρα αυξάνεται, αλλά η "ακτίνα Schwarzschild" την προσπερνά. Και βρίσκεται ότι οι δύο συναντώνται όταν rn φτάνει την τιμή "R καπέλο". Τότε, στην επιφάνεια του σώματος, οι ποσότητες κάτω από τις ρίζες γίνονται αρνητικές, οι παρονομαστές γίνονται μηδέν, κλπ. Αυτό είναι η μαθηματική, γεωμετρική εκφώνηση της κρίσης. Αυτό σημαίνει απλά ότι είναι αδύνατο να χρησιμοποιήσουμε την, ή τις δύο γεωμετρικές λύσεις που συνδέονται, που προκύπτουν από την εξίσωση Einstein με μη μηδενικό δεξιό μέλος (εσωτερικό) ή μηδενικό (εξωτερικό), για να περιγράψουμε το σώμα. Μέγιστη χαρακτηριστική τιμή αυτής της ακτίνας: μία δεκαριά χιλιόμετρα. Θα μπορέσετε να αποδώσετε την τιμή της πυκνότητας στον αστέρα νετρονίων.

Αλλά υπάρχει ένα πράγμα λίγο γνωστό, ακόμα και στους "κοσμικούς άνδρες", ενώ είναι έργο των ετών του 1940: υπάρχει μία άλλη κρίση, αυτή τη φορά φυσικής φύσης, που εμφανίζεται ακριβώς πριν η ακτίνα του αστέρα φτάσει αυτή την τιμή. Είναι μία τιμή πολύ κοντινή, επειδή είναι μόνο 5% μικρότερη. Αλλά όταν η ακτίνα του αστέρα τη φτάνει, ή, το οποίο είναι το ίδιο, όταν η μάζα φτάνει μία τιμή διπλάσια της μάζας του Ήλιου, η πίεση γίνεται άπειρη στο κέντρο του αστέρα, σύμφωνα με ένα μοντέλο "TOV" που κατασκευάστηκε τα ετη 1940 από τους Tolman, Oppenheimer και Volkov (είναι ο Oppenheimer της βόμβας).

Πίεση στο εσωτερικό ενός αστέρα νετρονίων σε σχέση με την απόσταση από το κέντρο για διάφορες τιμές της μάζας του αντικειμένου.

Για εμάς, αυτή είναι μία βασική πληροφορία.

Ίσως οι επιστήμονες, όπως και άλλοι άνθρωποι, να θέτουν μόνο ερωτήσεις στις οποίες νομίζουν ότι μπορούν να δώσουν απάντηση. Πώς θα απαντήσει κανείς στην ερώτηση:

• Τι συμβαίνει σε ένα μέσο όπου, αιφνίδια, σε ένα σημείο, η πίεση γίνεται άπειρη;

Κανείς δεν το έχει θέσει την ερώτηση, τουλάχιστον όχι με αυτή τη μορφή. Δεν έχει προσελκύσει την προσοχή κανενός, φαίνεται. Πολλοί ειδικοί στην κοσμολογία με τους οποίους έχω συζητήσει δεν γνώριζαν αυτό το σημείο.

Επιστρέφοντας στην "ιστορία της μαύρης τρύπας". Μπορεί κανείς να σκεφτεί: Το φαινόμενο της κατάρρευσης ενός αστέρα νετρονίων που έχει αποσταθεροποιηθεί είναι ένα μη σταθερό φαινόμενο. Επομένως, κατασκευάστε μία μη σταθερή λύση για το σύνολο των δύο παραπάνω εξισώσεων. Αλλά δεν ξέρουμε να το κάνουμε με πιστοποίηση. Έτσι, θεωρητικοί κοίταξαν στην "εξωτερική λύση" (εκείνη που περιγράφει για παράδειγμα τη γεωμετρία έξω από τον Ήλιο και γίνεται "παθολογική" στην ακτίνα Schwarzschild του, 3,7 χιλιόμετρα).

• Δηλαδή "αφαιρέστε τον Ήλιο" και εξετάστε τις ιδιότητες αυτής της γεωμετρίας. Έτσι...

• Αλλά, αυτή είναι μία λύση που αναφέρεται σε ένα κενό σύμπαν;

• Παραβλέψτε το, δείτε τι προκύπτει...

Έχουμε αρχίσει να μελετάμε τις ακτινικές τροχιές αντικειμένων που πέφτουν σε ελεύθερη πτώση σε αυτό που θα ήταν, σε αυτές τις συνθήκες, "μία μαύρη τρύπα μίας ηλιακής μάζας", διάμετρο 3,7 χιλιόμετρα. Διατηρήσαμε τη μεταβλητή t, που είναι η προσδοκία να αναφέρεται στο χρόνο που ζει ένας "εξωτερικός παρατηρητής", ένας καλός γηγενής που παρατηρεί έναν Ήλιο που μόλις έχει αφαιρεθεί. Βρήκαμε τότε ότι ο �