** Inleiding bij het artikel "Questionable black hole"**
Franse vertaling:
Twijfel over het bestaan van zwarte gaten.
Ga direct naar het wetenschappelijke artikel
** Auteurs:**
Jean-Pierre Petit, Observatorium van Marseille; Pierre Midy, CRI van Orsay.
Dit werk is het resultaat van tien jaar inspanning. Al dertig jaar lang horen astrofysici alleen maar het woord "zwarte gaten". Het woord fascineert het grote publiek. Veel boeken zijn hieraan gewijd. Toch ontbreken de observatieve bevestigingen: zwarte gaten "vertonen zich door hun afwezigheid". We weten echter dat het heelal enorm is. Onze eigen melkweg bevat minstens 100 tot 200 miljard sterren.
Het bestaan van bepaalde objecten is gebleken uit waarnemingen, zoals bijvoorbeeld quasars. Er zijn er nu meer dan vierduizend bekend. Dat wil niet zeggen dat we precies weten wat dit objecten zijn, hoe ze ontstaan, hoe ze evolueren en hoe lang hun levensduur is. In feite weten we niets over hen. Ze zijn simpelweg gecatalogiseerd, net zoals vroeger de "nebulae", in de tijd van astronoom Messier.
Blijkbaar wonen sommige quasars in het centrum van structuren die een galactische vorm hebben. Deze galaxieën hebben dus een "actief kerngebied", wat zowel alles zegt als niets zegt, omdat we niets weten over de aard van deze activiteit, bijvoorbeeld welke energiebron er is.
De hedendaagse astrofysica lijkt zich tevreden te stellen met weinig. Bij de vraag
- Wat is een quasar?
antwoordt de astrofysicus:
- Het is het kerngebied van een actieve galaxie.
En bij de vraag:
- Wat is een actieve galaxie?
antwoordt hij:
- Het is een galaxie die een quasar in haar centrum heeft.
Onlangs ontdekte men, enkele jaren geleden, de "gammaflitsen", gemiddeld één per dag. Tijdschrift Ciel et Espace had ooit op de voorpagina "De gammaflitsen: een raadsel eindelijk opgelost" staan. In het artikel werd aangegeven dat men een kleine heldere vlek had gevonden op de plek waar een gammaflits was waargenomen. Dus: een raadsel oplossen betekent weten dat de hemelgebieden die deze flitsen uitstralen ook licht uitstralen...
Is dat niet een beetje .. armzalig?
Omgekeerd bestaan er ook objecten waarvan het bestaan werd vermoed, vaak met grote precisie, voordat ze werden waargenomen. Het klassieke voorbeeld is de supernova, die al in 1931 werd beschreven door de Amerikaanse (zwitserse afkomst) astrofysicus Fritz Zwicky tijdens een beroemde lezing aan het Caltech, USA. Zwicky legde toen uit dat sterren met een voldoende grote massa – bijvoorbeeld meer dan twintig zonnemassen – een plotselinge eindfase zouden ondergaan, met een snelle opbouw in slechts enkele dagen, waarbij het hele fenomeen zich uitstrekt over ongeveer twintig dagen. Dat was een opmerkelijke voorspelling, hoewel die toen niet serieus werd genomen. Maar Zwicky bleef volhouden en ontdekte de eerste supernovae. Er zijn er nu honderden bekend. Hetzelfde geldt voor neutronensterren, die later werden geïdentificeerd als pulsars (roterende neutronensterren) en witte dwergen. Ook hier is het dierentuin, de soort, uitgerust met honderden geïdentificeerde exemplaren.
Het zwarte gat werd voorgesteld als antwoord op een probleem: het lot van een neutronenster die een bepaalde "kritieke massa" overschrijdt. Deze geïdentificeerde neutronensterren lijken op enorme atoomkernen zonder protonen. Waarom zijn deze objecten uitsluitend samengesteld uit neutronen?
Men beschouwt de neutronenster als het restant van het ijzerkerngebied van een zware ster, na de explosie. Een zware ster is een ster waarin gedurende haar levensgeschiedenis vele soorten fusiereacties plaatsvinden. Ze eindigt uiteindelijk in het produceren van ijzer, dat niet langer kan meedoen aan exo-energetische fusiereacties. Dit zware ijzer daalt dan naar het centrum van de ster, zoals as in een haard. Wanneer de ster plotseling zonder fusiebrandstof komt te staan (zoals Zwicky al had begrepen), stort ze zichzelf in op 80.000 kilometer per seconde (ongeveer een paar kilometer per seconde, natuurlijk). Bij het inslaan op de ijzerkern wordt dit gas sterk samengedrukt. Niet alleen reboundt het erop, maar tijdens de compressie vinden tal van fusiereacties plaats die niet meer exo-energetisch hoeven te zijn, omdat de energie nu afkomstig is van de plotselinge inkrimping van de ster op zichzelf. Alle mogelijke en denkbare nucleaire soorten worden dan gevormd, inclusief vele radioactieve atomen met zeer verschillende halveringsperioden. Men weet dat de waarneming van de explosie van de ster Sanduleak in het Magalhaeswolkje in 1987 een definitieve bevestiging was van dergelijke fenomenen (op slechts 150.000 lichtjaar afstand).
Het fenomeen verplettert de ijzerkern volledig en breekt de atomen uiteen. Deze kern wordt zo sterk samengedrukt dat elektronen geen ruimte meer hebben om tussen de nucleonen te bewegen. Gevangen, combineren ze dan met protonen tot neutronen en neutrino's.
Normaal gesproken, wanneer je een gas comprimeert, ontstaat er een druk die deze compressie tegenwerkt. Dat geldt ook voor een vloeistof of een vaste stof (alles is samendrukbaar). Zo gebeurt het bijvoorbeeld bij de vorming van een jonge ster. De proto-ster is een massa gas die zichzelf opdringt. Maar ze verwarmt en de drukkracht beperkt haar inkrimping. Het is een slechte straler en moet energie verliezen door straling (infrarood) voordat ze zich voldoende kan inkrimpen om een echte ster te worden. Tenzij haar massa onvoldoende is, dan wordt het een "grote Jupiter" (deze reusplaneet straalt meer energie uit dan die ze ontvangt van de Zon, maar zal nooit een ster worden).
Wanneer de supernova-explosie de ijzerkern comprimeert, laat deze zijn energie los door een fantastisch aantal ... neutrino's uit te zenden. Daar verandert het scenario volledig: de radiatieve afkoeling is direct, omdat neutrino's ongehinderd kunnen ontsnappen. Dus geen tegenwerkende druk. Het stuk ijzer stort in een rampzalige manier in elkaar. Er blijft een hoop neutronen over, dicht op elkaar gepakt, zoals Japanners in de metro tijdens het spitsuur.
Waarom een kritieke massa? Omdat neutronen een maximale druk niet kunnen verdragen. Net als elektrische lampen die in een mijnput worden gestapeld. Boven een bepaalde hoogte breekt het glas en stort een wolk van gebroken glas naar de bodem van de put.
Wanneer een neutronenster een massa heeft die iets meer dan twee keer de massa van de Zon overschrijdt, wordt de druk in het hart te groot. De neutronen kunnen deze niet meer verdragen. Dan zou ze volgens de huidige kennis moeten instorten op zichzelf zonder dat enig fysisch fenomeen kan tegengaan dit "gravitationele ineenstorting". Een angstaanjagende gedachte voor een fysicus.
Vóór de implosie is een neutronenster al "relativistisch", in tegenstelling tot een "Newtoniaans object". Dit vertaalt zich in de vorm van de baan van "getuigenpartikels" in de buurt (een willekeurige massa m, een atoom bijvoorbeeld). We weten dat de kromming van ruimte-tijd een precessie veroorzaakt van de ellipsvormige baan van Mercurius. Maar deze precessie is zeer klein. Daarentegen toont het onderstaande plaatje, afgeleid uit computerberekeningen, een sterke precessie van een bijna ellipsvormige baan rond een neutronenster.
Dus geen sprake van een neutronenster beschrijven met "Newtoniaans materiaal".
Het berekeningsprogramma is trouwens vrij eenvoudig en op een dag, als ik tijd heb, plaats ik alles op de site zodat jullie ermee kunnen spelen en bovendien het fenomeen (hier sterk versterkt) van gravitationele lensing kunnen waarnemen:
Dus, bij het beschrijven van het lot van een neutronenster die de kritieke massa bereikt, moest men een "veldvergelijking" gebruiken, die van Einstein. S = c T
T is een "tensoren" die de lokale "materie-energie" beschrijft. Vóór de implosie is deze tensoren buiten nul en binnen niet-nul. De geometrische oplossing moet dus afgeleid worden uit twee vergelijkingen:
S = c T
voor het binnenste S = 0
voor het buitenste.
Oplossingen van dit soort vergelijkingen heten "metrieken". Maar het maakt niet uit welke vorm deze objecten aannemen. Bovendien zijn het tensoren, en voordat je begrijpt wat een tensoren is, hallo. Ik heb er zelf lang over gedaan.
De Zon is gekoppeld aan een "geometrie", lokaal, die oplossing is van deze twee vergelijkingen. De eerste beschrijft het binnenste van de Zon en de tweede het lege ruimte eromheen. Toch kunnen we alleen een soort "ideale Zon" beschrijven, een bol gevuld met materie met constante dichtheid. Maar het is beter dan niets. Deze oplossingen hebben wiskundige uitdrukkingen die we hier niet geven. Ze zouden je niets zeggen. Elke oplossing heeft haar eigen "pathologie". Noem rn de straal van het hemellichaam, met constante dichtheid r. Vanuit deze dichtheid r en de waarde c van de lichtsnelheid berekenen we een eerste karakteristieke straal, "R hoed":
De binnenste geometrische oplossing is "niet-pathologisch" als en slechts als de waarde van de straal rn kleiner is dan deze kritieke waarde.
Uit dezelfde gegevens kunnen we een tweede karakteristieke straal berekenen:
die men de "Schwarzschildstraal" Rs noemt. De buitenste oplossing, die verwijst naar het "leegte" rond ons hemellichaam met constante dichtheid r en straal, is niet-pathologisch als en slechts als de waarde van de straal rn groter is dan deze karakteristieke lengte. Samen genomen moet gelden:
De hoeveelheid rechts hangt alleen af van de dichtheid van het hemellichaam (tussen 1015 en 1016 gram per kubieke centimeter). Bij constante dichtheid groeit de linkerkant als het derde macht van de straal rn van het hemellichaam.
Dit geldt voor de Zon, beschouwd als een hemellichaam met constante dichtheid, in eerste benadering. Wat bedoelen we met "pathologieën"? Alles: hoeveelheden onder wortels die negatief worden, noemers die nul worden. Zo zien we dat een hemellichaam met constante dichtheid alleen kan worden beschreven met dit soort stationaire oplossingen als:
De Schwarzschildstraal van de Zon is 3,7 km: die ligt duidelijk binnen de Zon (rn). Je kunt zelf proberen te berekenen, wetend dat de straal van de Zon 695.000 km is, de waarde van deze tweede karakteristieke straal "R hoed", die groter is.
Als het om de Zon ging, zou de Schwarzschildstraal (3,7 km) op schaal bijna puntvormig zijn. De straal "R hoed" zou uit de pagina steken. Het plaatje hierboven gaat eerder over een "subcritische neutronenster".
Hoe verloopt dan de "stijging naar de kritieke massa"? Het voldoet om lagen van neutronen toe te voegen, met constante dichtheid (we vergelijken de neutronenster, anders dan een vaste stof, tenminste met een bijna onsamendrukbare vloeistofdruppel).
We krijgen hierboven de grafieken, simpelweg met behulp van de aangegeven formule. De straal van de ster groeit, maar de Schwarzschildstraal haalt haar in. En het blijkt dat ze elkaar raken wanneer rn de waarde "R hoed" bereikt. Dan worden de hoeveelheden onder de wortels negatief, de noemers nul, enzovoort. Dat is de wiskundige, geometrische vertaling van de kritieke massa. Het betekent simpelweg dat het onmogelijk is om de, of beide, geometrische oplossingen die zijn afgeleid uit de Einsteinvergelijking met een niet-nul rechterlid (binnenste) of nul rechterlid (buitenste), te gebruiken om het hemellichaam te beschrijven. Maximaal karakteristieke waarde van deze straal: ongeveer twintig kilometer. U kunt hieruit de dichtheid in de neutronenster afleiden.
Maar er is iets weinig bekend, zelfs bij "cosmic men", terwijl het werk dateert uit de jaren veertig: er bestaat een andere kritieke massa, van fysische aard, die net voorafgaat aan het bereiken van deze waarde. Het is zeer dichtbij, want het is slechts 5% lager. Maar wanneer de straal van de ster deze waarde bereikt, of, wat neerkomt op hetzelfde, wanneer de massa een waarde bereikt die twee keer de massa van de Zon is, wordt de druk in het centrum van de ster oneindig, volgens een model "TOV" dat in de jaren veertig werd opgebouwd door Tolman, Oppenheimer en Volkov (het is wel de Oppenheimer van de bom).
Druk binnen een neutronenster als functie van de afstand tot het centrum voor verschillende massa's.
Voor ons is dit een cruciale gegevens.
Misschien stellen wetenschappers, net als andere mensen, alleen vragen die ze denken kunnen beantwoorden. Hoe zou je antwoord geven op de vraag:
- Wat gebeurt er in een midden waar plotseling op één punt de druk oneindig wordt?
Niemand heeft zich ooit deze vraag gesteld, in elk geval niet in deze vorm. Het heeft blijkbaar niemand opgemerkt. Veel specialisten in kosmologie met wie ik heb gesproken wisten dit aspect niet.
Laten we teruggaan naar "het verhaal van het zwarte gat". Je zou kunnen denken: het fenomeen van de implosie van een onstabiele neutronenster is een niet-stationair fenomeen. Bouw dan een niet-stationaire oplossing van het geheel van bovenstaande twee vergelijkingen. Maar dat kan men niet op geloofwaardige wijze. Dus gingen theoretici hun blik richten op de "buitenste oplossing" (die bijvoorbeeld de geometrie buiten de Zon beschrijft en "pathologisch" wordt op haar Schwarzschildstraal van 3,7 km).
-
Met andere woorden: "verwijder de Zon" en onderzoek de eigenschappen van deze geometrie. Zoals dit...
-
Maar, is dit een oplossing die verwijst naar een leeg heelal?!
-
Laat dat maar zitten, kijk eens wat er gebeurt...
Men begon de radiale banen van objecten te bestuderen die in vrije val vallen in wat, onder deze omstandigheden, "een zwart gat met de massa van de Zon", met een diameter van 3,7 km, zou zijn. Men behield de variabele t, bedoeld als tijd die wordt ervaren door een "buitenstaander", een gewone aardbewoner die een Zon observeert die net is verdwenen. Men vond dat de valtijd van elke getuigenpartikel, afgeteld in deze tijd, oneindig werd. Toch, als je een horloge aan die partikel zou bevestigen, zou deze in een eindige tijd het geometrische centrum bereiken.
De theoretici stelden toen de volgende visie voor:
- Deze stationaire, buitenste oplossing vindt een wonderbaarlijke hergebruik. De gravitationele ineenstorting vindt inderdaad plaats in een zeer korte tijd (van de orde van een tiende duizendste seconde voor een onstabiele neutronenster). Maar omdat dit fenomeen voor een "buitenstaander" lijkt te duren, oneindig lang, kan men een stationaire oplossing gebruiken om een uiterst niet-stationair fenomeen te beschrijven.
Geen duiven, dus eet je merels....
Uitgaande van deze gedachte gingen theoretici zich afvragen wat er met de materie gebeurt wanneer ze deze Schwarzschildoppervlak overstijgen. En daar vonden ze alle verschrikkingen die eerder werden genoemd. De eigen tijd van de partikel werd... zuiver imaginair. De snelheid van de partikel overschreed die van het licht. Het werd een tachyon, waarvan de massa ... imaginair is, enzovoort, enzovoort...
Sommigen suggereerden zelfs (en dat staat in alle boeken) dat binnen deze bol de variabele r zich transformeert in tijd en de variabele t in .. radiale afstand.
Jean Heidmann, kosmoloog van Meudon, thans in pension, had de gewoonte te zeggen:
- Wanneer je over zwarte gaten praat, moet je je gezond verstand in de garderobe laten.
In deze omstandigheden, als je besluit het gezond verstand te verlaten, waar is dan de grens van onzin? Hoe beslis je om "een fysica van het onzichtbare" op te bouwen? Dat is het geval bij de "donkere materie", waarover men alles zegt en schrijft, met tientallen artikelen per dag. Niemand lijkt zich te hebben buigen over het tweelingmodel, uitgebreid ontwikkeld op mijn website. Toch lijken buitenlandse onderzoekers (China, Japan) er goed mee te kunnen.
Er is een nieuw feit op dit punt. In 88-89 had ik drie artikelen gepubliceerd in Modern Physics Letters A (herhaald op de site), die het ongekende idee van een kosmologie lanceerden waarin de natuurconstanten konden variëren, inclusief de heilige lichtsnelheid c. Het idee werd in 1993 "opnieuw ontdekt". Sindsdien zijn er vele artikelen gepubliceerd in zeer selecte tijdschriften zoals Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Er is al een vrij grote groep van "variërende constanten". Sommigen van hen hebben mijn werk via het internet ontdekt. Bij veel mensen was het een volledige verbazing, vooral omdat deze werken uit Frankrijk kwamen, een land dat zich nooit heeft onderscheiden door een opvallende innovatie in kosmologie of zelfs maar astrofysica (typisch Duits, Russisch, Amerikaans, Engels gebieden). De contacten zijn tot stand gekomen, zeer vriendelijk. De Chinees, niet zonder humor, zei dat ze zich haastten naar een atlas om te zien waar Marseille lag "alsof ze een onbekend deel van de wereld ontdekten".
Waarom deze afwijking? Omdat wij denken dat deze schokkende stijging van druk in het hart van de neutronenster de natuurconstanten zou moeten veranderen en een "hypertorische brug" zou moeten creëren tussen het universum en zijn tweeling. Een idee die nog moet worden onderbouwd. Toch, als hulp nodig is bij dit project, kan die a priori afkomstig zijn van de "variërende constanten", die al deze stap hebben gezet. We zijn momenteel nog de enigen "tweelingisten", maar dat zal misschien niet eeuwig duren.
Onze mening is dus dat het tweelingcontextuele scenario het lot van de onstabiele neutronenster volledig zou moeten veranderen. Maar voordat we een uitdagende model kunnen voorstellen, moesten we eerst het klassieke zwart gatmodel onderzoeken. Dat gebeurt in dit lange artikel. De zaken worden niet "in de juiste volgorde" behandeld. In één van de secties hebben we zorgvuldig het werk van Kruskal onderzocht en de tekortkomingen in zijn aanpak laten zien.
Alles heeft een motivatie. Kruskal had in 1960 geconstateerd dat de lichtsnelheid, in het oorspronkelijke model (de "Schwarzschildmetriek"), nul was op de betreffende bol, de "horizonbol", ook wel de Schwarzschildbol genoemd. Hij zocht dus naar een manier om het model van deze "ziekte" te genezen.
Maar hoe werkt men aan deze geometrische oplossingen? Maakt men andere uit? Het antwoord is nee. Ik denk dat we in het artikel goed hebben laten zien dat de keuze van coördinaten willekeurig is. In essentie is een geometrische oplossing "coördinaat-invariant", afhankelijk niet van de gekozen coördinaten. Stel je een zeepbel voor. Het is een oppervlak. In zekere zin is het een oplossing van een veldvergelijking die correspondeert met het feit dat de energie die wordt ingezet in de spanningen, om een constante druk binnen de bel te compenseren, constant is over het hele oppervlak. Bij de vraag:
- Welk oppervlak reageert mechanisch op een interne overdruk?
Het antwoord is:
- Het is een bol.
Maar deze bol, een geometrisch object, bestaat onafhankelijk van het coördinatenstelsel dat wordt gebruikt om zijn punten te lokaliseren. We weten dat bijvoorbeeld het gebruik van meridianen en parallellen polaire singulariteiten creëert, punten die schijnbaar singulariteit hebben, terwijl ze dat niet zijn. Het zijn dus singulariteiten die worden veroorzaakt door de keuze van coördinaten. Bij de bol is dit zelfs onvermijdelijk. Hieronder een bol met zijn coördinatenstelsel van breedte- en lengtegraad.
Opmerking: je kunt een bol kaarten, voorzien van een tweedimensionaal coördinatenstelsel, met slechts één pool. Zie de afbeeldingen hieronder:
Eerste coördinatenstelsel, eerste familie van krommen met één parameter verkregen door de bol te snijden met vlakken die door een rechte gaan die raakt aan een punt op de bol.
Combinatie met een tweede familie van krommen verkregen door dezelfde bol te snijden met andere vlakken die door een andere raaklijn aan de bol op hetzelfde punt gaan, bijvoorbeeld loodrecht op de eerste.
...combinatie met een tweede familie van krommen verkregen door dezelfde bol te snijden met andere vlakken die door een andere raaklijn aan de bol op hetzelfde punt gaan, bijvoorbeeld loodrecht op de eerste.
De bol, zo geïndiceerd, gezien vanuit een ander perspectief, dat haar enige singulariteit verbergt. **** **** Inhoudsopgave Volgende pagina ../../Copie%20de%20Extensions/presentation/PQ2.htm