Сомнения в существовании черных дыр

Представление статьи
**** Сомнительная черная дыра

Французский перевод:

Сомнения в существовании черных дыр.

** ** Авторы:

Жан-Пьер Петит, Обсерватория Марселя

| науки | jp-petit.com |
|---|---|

Пьер Миди, ЦРИ Орсэ.

Перейти прямо к научной статье.

Эта работа представляет результаты десяти лет усилий. В течение последних 30 лет астрофизики говорили только об одном слове: "черные дыры". Тема завораживает публику, и уже было посвящено несколько книг. Однако наблюдательное подтверждение все еще отсутствует: черные дыры "привлекают внимание своим отсутствием". И тем не менее, Вселенная огромна. Наша галактика содержит как минимум 100-200 миллиардов звезд. Существование некоторых объектов было установлено наблюдением, например, квазаров. Теперь мы знаем более четырех тысяч. Это не означает, что мы полностью понимаем их, как они образуются, как эволюционируют, какова их продолжительность жизни. На самом деле мы ничего о них не знаем. Они просто каталогизированы, как "туманности" в эпоху астронома Мессьера. Похоже, что некоторые квазары живут в центре объектов, подобных галактикам. Эти галактики имеют "активное ядро", что может означать все и ничего одновременно, так как мы не знаем природы этой активности, например, источника ее энергии. Современная астрофизика, кажется, довольствуется этим. Перед вопросом:

• Что такое квазар?

Астрофизик отвечает:

• Это ядро активной галактики.

И перед вопросом:

• Что такое активная галактика?

Он ответит:

• Это галактика с квазаром в центре...

Недавно, несколько лет назад, мы обнаружили "вспышки гамма", по одной в день. Обложка французского журнала Ciel et Espace (Небо и пространство) имела заголовок: "Вспышки гамма: загадка наконец разгадана". Ответ в колонках журнала: небольшой яркий участок был только что обнаружен на месте обнаруженной гамма-вспышки. Иными словами: разгадать загадку — это знать, что области неба, излучающие вспышки, также излучают свет...

Не кажется ли это немного... разочаровывающим?

Напротив, существуют другие объекты, существование которых предполагалось, часто с большой точностью, до их наблюдения. Типичный пример — сверхновая, описанная в 1931 году астрофизиком-американцем (швейцарского происхождения) Фритцом Цвикки на знаменитой конференции в Калтехе, США. Цвикки тогда объяснял, что звезды достаточно массивные, скажем, массой более двадцати солнечных, должны испытывать острую конечную стадию с резким увеличением мощности в течение нескольких дней, весь процесс длится около двадцати дней. Это было замечательное предсказание, хотя и воспринималось вначале с легкомыслием. Однако упрямый Цвикки обнаружил первые сверхновые. Сегодня мы знаем несколько сотен. То же самое относится к нейтронным звездам, которые были идентифицированы позже как пульсары (вращающиеся нейтронные звезды) и белые карлики. Это вид также включает несколько сотен идентифицированных особей.

Черная дыра была предложена как ответ на проблему: что происходит с нейтронной звездой, превышающей определенную "критическую массу". Эти нейтронные звезды, явно идентифицированные, похожи на огромные атомные ядра, без протонов. Почему эти объекты состоят исключительно из нейтронов?

Мы рассматриваем нейтронные звезды как то, что остается от железного ядра массивной звезды после ее взрыва. Массивная звезда — это звезда, в которой происходят различные типы синтеза во время ее жизни. В конечном итоге она производит железо, которое больше не может участвовать ни в какой экзотермической реакции синтеза. Это тяжелое железо падает в центр звезды, как пепел в камине. Когда звезда внезапно теряет топливо (как понял Цвикки), она сжимается сама в себя со скоростью 80 000 километров в секунду (с точностью до километра, конечно). Падая на железное ядро, этот газ сильно сжимается. Не только он отскакивает, но также производятся различные реакции синтеза, которые больше не требуют экзотермической энергии, так как энергия поступает от резкого сжатия звезды самой на себя. Создаются различные ядерные виды, включая множество радиоактивных атомов с очень переменными временами жизни. В 1987 году взрыв звезды Сандулеак в облаке Магеллана дал окончательное подтверждение существования таких явлений (на расстоянии всего 150 000 световых лет).

Это явление полностью сжимает железное ядро, перемещая его атомы. Оно сжимается так сильно, что электронам не хватает места, чтобы двигаться между нуклонами. Запертые, они объединяются с протонами, чтобы образовать нейтроны и нейтрино. Обычно, когда мы сжимаем газ, явление, называемое давлением, сопротивляется сжатию. Это также верно для жидкости или твердого тела (все сжимаемо). Это происходит при рождении молодой звезды. Прото-звезда — это масса газа, которая сжимается сама в себя. Но сжимаясь, она нагревается, и сила давления ограничивает сжатие. Это плохой излучатель, но должен терять энергию излучением (инфракрасным) перед тем, как достаточно сжаться, чтобы стать настоящей звездой. Однако, если его масса недостаточна, он превратится в "гигантский Юпитер" (этот гигантский планетарный объект продолжает излучать больше энергии, чем получает от Солнца, но никогда не станет звездой). Когда взрыв сверхновой сжимает железное ядро, оно излучает свою энергию, испуская огромное количество... нейтрино. Здесь сценарий полностью меняется: радиативное охлаждение происходит мгновенно, потому что нейтрино могут свободно уйти. Нет никакого противодавления. Блок железа жалко сжимается. Остается только куча нейтронов, плотно прижатых друг к другу, как японцы в метро в часы пик. Почему критическая масса? Потому что нейтроны не могут выдерживать давление, превышающее максимальное значение. Как электрические лампочки, сложенные в шахте. После определенного количества лампочек стекло разбивается, и куча разбитого стекла падает на дно шахты. Когда нейтронная звезда имеет массу немного больше, чем в два раза масса Солнца, давление в ее ядре становится слишком большим. Нейтроны больше не могут его выдержать. Она предположительно сжимается сама в себя, и ни одно известное физическое явление не может противостоять этому "гравитационному коллапсу". Печальная перспектива для астрофизика. Даже до взрыва нейтронная звезда является "релятивистом", в отличие от "ньютоновского" объекта. Это видно по виду траекторий "частиц отсчета" рядом с массой m (атомом, например). Мы знаем, что явление искривления пространства-времени вызывает прецессию эллиптической орбиты Меркурия. Но эта прецессия минимальна. Однако следующая фигура, полученная из компьютерных расчетов, показывает значительную прецессию квазиэллиптической траектории вокруг нейтронной звезды.

Поэтому не может быть речи о том, чтобы описать нейтронную звезду с помощью "ньютоновского" материала.

Программа вычислений относительно проста, и однажды, когда у меня будет время, я опубликую ее на сайте, чтобы вы могли поиграть с ней и показать явление гравитационной линзы (очень преувеличенное здесь):

Таким образом, поскольку речь идет о том, чтобы описать судьбу нейтронной звезды, достигшей критичности, должна использоваться "уравнение поля", уравнение Эйнштейна.

S = c T

T — это "тензор", описывающий локальное содержание "энергии-материи". Тензор равен нулю снаружи и не равен нулю внутри. Следовательно, геометрическое решение должно быть выведено из двух уравнений.
Для внутренней части:

S = c T

для внутренней части

S = 0

Решения такого типа уравнений называются "метриками". Однако не важно, какую форму имеют объекты. Они являются "тензорами", и чтобы понять, что такое тензор, удачи... Это заняло у меня некоторое время.

Солнце связано с "локальной геометрией", которая является решением двух уравнений. Первое описывает внутреннюю часть Солнца, а второе — пустоту вокруг. Однако мы можем описать только "идеальное Солнце", состоящее из сферы, заполненной веществом с постоянной плотностью. Но это лучше, чем ничего. Эти решения имеют математические выражения, которые мы здесь не будем развивать. Они ничего вам не скажут. У каждого из них своя "личная патология". Назовем rn радиус звезды, с постоянной плотностью r. Из этой плотности r и значения c скорости света мы можем рассчитать первый характерный радиус, "R шапочка":

Внутреннее геометрическое решение является "непатологическим", если и только если значение радиуса rn меньше этой критической величины.

С теми же данными мы можем рассчитать второй характерный радиус:

который мы называем "радиусом Шварцшильда" Rs. Внешнее решение, которое относится к "пустоте", окружающей нашу звезду с постоянной плотностью r и постоянным радиусом, будет непатологическим, если и только если значение радиуса звезды rn больше этой характерной длины. Комбинируя оба, необходимо, чтобы:

Количество справа зависит от плотности звезды (от 10¹⁵ до 10¹⁶ грамм на кубический сантиметр). При постоянной плотности количество слева увеличивается как куб радиуса Rn звезды.

Это верно для Солнца, рассматриваемого как звезда с постоянной плотностью в первом приближении. Что мы имеем в виду под "патологиями"? Все: количества под корнями становятся отрицательными, знаменатели становятся нулевыми. Таким образом, видно, что звезда с постоянной плотностью не может быть описана этим типом стационарного решения:

Радиус Шварцшильда Солнца составляет 3,7 км: хорошо внутри (rn). Вы можете развлечься, вычисляя его, зная, что его радиус составляет 695 000 км, значение второго критического радиуса "R шапочка" выше.

Если бы речь шла о Солнце, в масштабе рисунка радиус Шварцшильда (3,7 км) был бы просто точкой, а радиус "R шапочка" ушел бы далеко за пределы листа. На приведенном выше рисунке больше относится к "субкритической нейтронной звезде".

Как происходит "подъем к критичности"? Достаточно добавить слои нейтронов с постоянной плотностью (мы сравниваем нейтронную звезду, если не твердое тело, то, по крайней мере, каплю практически несжимаемой жидкости).

Мы получаем приведенные выше кривые просто, используя указанную формулу. Радиус звезды увеличивается, но радиус Шварцшильда догоняет его. И оба сходятся, когда rn достигает значения "R шапочка". Тогда, на поверхности звезды, количество под корнем становится отрицательным, знаменатели становятся нулевыми и т.д. Это математическая и геометрическая трансляция критичности. Это означает, что невозможно описать звезду с помощью одной или обеих комбинированных геометрических решений, полученных из уравнения Эйнштейна с ненулевым вторым членом (внутри) или нулевым (снаружи). Характерное максимальное значение этого радиуса составляет около 20 километров. Плотность нейтронной звезды можно рассчитать на основе этого.

Но есть нечто малоизвестное, даже среди "людей космоса", хотя это следует из работ, выполненных в 1940-х годах: существует другая критичность, физическая, которая появляется сразу перед тем, как радиус звезды достигнет этой величины. Это очень близкая величина, на 5% меньше. Но когда радиус звезды достигает этой величины, или, что то же самое, когда масса достигает значения, в два раза превышающего массу Солнца, давление в центре звезды становится бесконечным, по модели "TOV", разработанной в 1940-х годах Толманом, Оппенгеймером и Вольковым (Оппенгеймер из бомбы).

Давление внутри нейтронной звезды в зависимости от расстояния до центра
**** для различных значений массы объекта.

Это фундаментальные данные для нас.

Вот эволюция давления внутри нейтронной звезды, в зависимости от расстояния до ее центра, для различных масс:

...Может быть, ученые, как и другие, не задают себе вопросы, на которые они думают, что не могут ответить. Как ответить на вопрос:

• Что происходит в среде, где в определенном месте давление внезапно становится бесконечным?

Но никто не задавал этот вопрос, по крайней мере, в таком виде. Похоже, это ускользнуло от всех. Многие специалисты по космологии, с которыми я говорил, не знали об этом аспекте.

Вернемся к "истории черной дыры". Можно сказать: явление имплозии нестабильной нейтронной звезды — это нестационарное явление. Давайте построим нестационарное решение для обоих уравнений выше. Однако мы не знаем, как это сделать достоверно. Тогда теоретики обратились к "внешнему решению" (тому, которое описывает, например, геометрию вне Солнца и становится "патологическим" на радиусе Шварцшильда 3,7 км).

• То есть, "уберите Солнце" и изучите свойства этой геометрии. Так...

• Но это решение относится к пустому миру?!

• Делайте вид, что ничего не произошло, посмотрим, что получится...

Исследование началось с радиальных траекторий объектов, падающих вниз в то, что в этих условиях будет "черной дырой массы Солнца" диаметром 3,7 км. Переменная t была сохранена, она должна обозначать время, ощущаемое "внешним наблюдателем", хорошим землянином, смотрящим на Солнце, которое он только что уничтожил. Было обнаружено, что время свободного падения каждой тестовой частицы, измеренное по этому времени, становится бесконечным. Однако, если прикрепить часы к частице, она достигнет геометрического центра объекта за конечное время.

Теоретики предложили следующую картину:

• Это стационарное внешнее решение находит новое, провиденциальное применение. Действительно, гравитационный коллапс происходит за очень короткий период времени (около десятой тысячной секунды для нестабильной нейтронной звезды). Однако, поскольку явление кажется длиться бесконечно для "внешнего наблюдателя", стационарное решение может быть использовано для описания крайне нестационарного явления.

Если нет синиц, то съедят синиц...

Исходя из этой идеи, теоретики спрашивали, что произойдет с веществом, когда оно пересечет поверхность Шварцшильда. И там они нашли все ужасы, упомянутые выше. Время частицы становилось... фантазией. Скорость частицы превышала скорость света. Она становилась тахионом, масса которой... мнимая, и т.д., и т.д.

Некоторые даже предложили (и это можно найти в многих книгах), что внутри сферы переменная r превратится во время, а переменная t в... радиальную дистанцию.

Как говорил Жан Хейдманн, космолог из Мёдон, ныне на пенсии:

• Когда говорят о черных дырах, нужно оставить свой здравый смысл в гардеробе...

В этих условиях, если мы решим забыть о здравом смысле, где находится граница неразумного? Как решить, как строить "физическую теорию ненаблюдаемого"? Это случай с "темной материей", о которой говорят и пишут все, что угодно, часто по нескольким статьям в день. Никто, кажется, не рассматривал двойную модель, которая была широко разработана на моем сайте. Однако некоторые иностранные исследователи (Китай, Япония) явно поняли это.

В этой области есть новые сведения. В 1988-1989 годах я опубликовал три статьи в Modern Physics Letters A (воспроизведены на сайте), которые запустили идею, без прецедента, космологии, в которой физические константы могут меняться, включая священную скорость света c. Эта идея была "переоткрыта" в 1993 году. С тех пор было опубликовано множество статей в очень престижных журналах, таких как Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Уже существует довольно большая группа "вариаторов констант". Некоторые из них обнаружили мое исследование на сайте Интернета. Многие были поражены, особенно тем, что это исследование было выполнено во Франции, стране, которая никогда не привлекала внимания важными инновациями в космологии, ни даже в астрофизике (области, типичные для Германии, России, США или Великобритании). Было установлено дружеское общение. Китайцы, не без юмора, сказали, что им пришлось спустить карту, чтобы найти Марсель, и у них было ощущение, что они открыли неизвестную область планеты.

Почему эта отступление? Потому что, по нашему мнению, резкое увеличение давления в ядре нейтронной звезды должно изменить физические константы и создать "гиперторический мост" между Вселенной и ее двойником. Это идея, требующая более глубокого изучения. Тем не менее, если потребуется помощь в этом предприятии, она, вероятно, придет от "вариаторов констант", которые уже перешли черту. На данный момент мы единственные "двойники

Исследования начались по радиальным траекториям объектов, свободно падающих к тому, что в этих условиях было бы "черной дырой массы Солнца" диаметром 3,7 км. Переменная t была сохранена, она должна была относиться ко времени, испытываемому "внешним наблюдателем", хорошим землянином, наблюдающим за Солнцем, которое они только что убрали. Было обнаружено, что время свободного падения каждой тестовой частицы, измеренное по этому времени, становится бесконечным. Однако, если прикрепить часы к этой частице, она придет в геометрический центр объекта за конечный период времени.

Теоретики поэтому предложили следующую картину:

• Эта стационарная, внешняя решений находит новое, благоприятное применение. В действительности, гравитационный коллапс действительно происходит за очень короткое время (около одной десятитысячной секунды для нестабильной нейтронной звезды). Однако, поскольку явление кажется длиться бесконечно для "внешнего наблюдателя", стационарное решение может быть использовано для описания явления, которое в действительности является очень нестационарным.

Если нет Thrushes, мы будем есть Blackbirds...

Исходя из этой идеи, теоретики начали задаваться вопросом, что произойдет с веществом, когда оно пересечет поверхность Шварцшильда. И там они обнаружили все ужасы, упомянутые ранее. Время частицы стало... чистой фантазией. Скорость частицы превзошла скорость света. Она становится тахионом, масса которого... мнимая и т.д., и т.д.

Некоторые даже предложили (и вы можете найти это во многих книгах), что внутри сферы переменная r превращается во время, а переменная t в... радиальное расстояние.

Как говорил Жан Хейдманн, космолог из Мюдон, теперь уже на пенсии:

• Когда речь заходит о черных дырах, вы должны оставить свой здравый смысл в гардеробе...

В этих условиях, если мы решим забыть о здравом смысле, где будет предел нелепости? Как мы решим построить "физику не наблюдаемого". Это случай с "темной материей", о которой говорится и пишется все, что угодно, часто по несколько десятков статей в день. Кажется, никто не обращал внимания на модель близнецов, подробно разработанную на моем сайте. Однако некоторые иностранные исследователи (Китай, Япония) кажутся заинтересованными в ней.

Есть новости в этом направлении. В 1988-1989 я опубликовал три статьи в Modern Physics Letters A (воспроизведенные на сайте), которые запустили идею, ранее не существовавшую, космологии, в которой физические константы могут меняться, включая священную скорость света c. Эта идея была "переоткрыта" в 1993 году. С тех пор было опубликовано множество статей в очень избранных журналах, таких как Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Уже существует довольно большая группа "изменяющих константы". Некоторые из них обнаружили мою работу в интернете. Многие из них были поражены, особенно тем, что работа исходила из Франции, страны, которая никогда не отличалась важными инновациями в космологии, или даже в астрофизике (области, обычно характерные для Германии, России, США или Великобритании). Связь была установлена в очень дружеской манере. Китайцы, не без юмора, сказали, что им пришлось достать атлас, чтобы найти расположение Марселя, и "у них было ощущение, что они открывают неизвестный регион мира".

Почему это отступление? Потому что, по нашему мнению, резкое увеличение давления в ядре нейтронной звезды должно изменить физические константы и создать "гиперторическую мост" между вселенной и ее двойником. Это идея, требующая дальнейшего изучения. Тем не менее, если потребуется помощь в этом предприятии, она, скорее всего, придет от "изменяющих константы", которые уже перешли грань. На данный момент мы единственные "близнецы", но это может не оставаться таковым всегда.

Поэтому, по нашему мнению, близнецовое окружение должно полностью изменить сценарий для нестабильной нейтронной звезды. Однако, прежде чем мы сможем предложить альтернативную модель, мы должны изучить классическую модель черной дыры. Именно это и делается в этой длинной статье. Всё не рассматривается "по порядку". В одной из глав мы внимательно изучили работу Краскаля, показав недостатки его подхода.

Всё мотивировано. В 1960 году Краскаль заметил, что в исходной модели (так называемом "метрическом поле Шварцшильда") скорость света равна нулю на сфере, о которой идет речь, "сфере горизонта", также известной как Сфера Шварцшильда, и начал лечить это "заболевание".

Но как работать с геометрическими решениями? Можно ли придумать другие? Ответ - нет. Я думаю, что статья ясно показывает произвольный характер выбора координат. По своей сути, геометрическое решение является "координатами, не зависящими от системы", оно не зависит от выбранных координат. Представьте себе мыльный пузырь. Это поверхность. В одном смысле это решение уравнения поля, соответствующее тому, что энергия, использованная для натяжения, чтобы уравновесить постоянное давление внутри пузыря, постоянна на всей его поверхности. На вопрос:

• Какая поверхность механически реагирует таким образом, чтобы выдерживать внутреннее избыточное давление?

Ответ:

• Это сфера.

Но эта сфера, геометрический объект, существует независимо от системы координат, используемой для определения ее точек. Теперь мы знаем, что при использовании системы меридианов и параллелей мы создаем полюсные особенности, кажущиеся особенностями, хотя на самом деле они не являются таковыми. Это особенности, вызванные выбором координат. В случае сферы, кстати, эти особенности неизбежны. Ниже приведен рисунок сферы и системы координат широты и долготы.

Примечание: Мы можем отобразить сферу, дать ей систему координат с двумя параметрами, используя всего один полюс. См. следующие рисунки:

**Первый маркер, первая семья кривых для параметра **a , полученная при разрезании сферы плоскостями, проходящими через прямую линию, касающуюся одной из ее точек.

Это сочетается со второй семьей кривых, полученными при разрезании той же сферы другой прямой линией, касающейся сферы в той же точке, например, перпендикулярной первой.

Сфера, таким образом, отображенная, видимая с другой стороны, скрывающей ее единственную особенность.