Презентация статьи «Спорная чёрная дыра» Перевод на французский: D

Презентация статьи

Сомнительная чёрная дыра

Французский перевод:

Сомнения в существовании чёрных дыр.

Авторы:

Жан-Пьер Пети, Марсельская обсерватория

Пьер Миди, CRI, Орсе.

Перейти непосредственно к научной статье.

Данная работа представляет собой результаты десяти лет усилий. В течение последних 30 лет у астрофизиков на устах был только один термин — «чёрные дыры». Эта тема завораживает публику, и ей уже посвящено несколько книг. Однако наблюдательного подтверждения по-прежнему нет: чёрные дыры «сияют своим отсутствием». И всё же космос огромен. Одна только наша Галактика содержит от 100 до 200 миллиардов звёзд.

Существование некоторых объектов было доказано наблюдением, например, квазаров. Сейчас известно более четырёх тысяч таких объектов. Это не означает, что мы полностью понимаем эти объекты, как они образуются, как эволюционируют и какова их продолжительность жизни. Фактически мы ничего о них не знаем. Они просто каталогизированы так же, как «туманности» во времена астронома Мессье.

По-видимому, некоторые квазары находятся в центрах образований типа галактик. У этих галактик есть «активное ядро», что может означать одновременно всё и ничего: мы ничего не знаем о природе этой активности, например, о её источнике энергии.

Современная астрофизика, похоже, довольствуется малым. На вопрос:
- Что такое квазар?
Астрофизик отвечает:
- Это ядро активной галактики.
А на вопрос:
- Что такое активная галактика?
Он ответит:
- Это галактика с квазаром в центре...
Недавно, несколько лет назад, были обнаружены «гамма-всплески», по одному в день. На обложке французского журнала Ciel et Espace («Небо и Космос») однажды была заголовок: «Гамма-всплески: наконец-то разгаданная тайна». Ответ в колонках журнала: в месте обнаруженного гамма-всплеска только что наблюдалась маленькая яркая точка. Это означает: разгадать тайну — значит узнать, что области неба, излучающие вспышки, также излучают и свет....

Разве это не немного... бедно?
Напротив, существуют другие объекты, чьё существование было предсказано, часто с большой точностью, до их наблюдения. Типичным примером является сверхновая звезда, описанная в 1931 году американским астрофизиком (швейцарского происхождения) Фрицем Цвикки во время знаменитой конференции в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), США. Цвикки объяснил тогда, что достаточно массивные звёзды, скажем, с массами более двадцати солнечных масс, должны завершать своё существование пароксизмальным взрывом с увеличением мощности в течение нескольких дней, при этом весь процесс занимает около двадцати дней. Это было замечательное предсказание, хотя тогда к нему не отнеслись серьёзно. Однако Цвикки, проявив настойчивость, открыл первые сверхновые. В настоящее время известно несколько сотен таких объектов. То же самое касается нейтронных звёзд, которые впоследствии были идентифицированы как пульсары (вращающиеся нейтронные звёзды) и белые карлики. У этого класса также идентифицировано несколько сотен объектов.
Чёрная дыра была предложена как ответ на проблему: что становится с нейтронной звездой, превышающей определённую «критическую массу». Эти чётко идентифицированные нейтронные звёзды напоминают огромные атомные ядра без протонов. Почему эти объекты состоят исключительно из нейтронов?
Мы считаем, что нейтронные звёзды — это то, что остаётся от железного ядра массивной звезды после её взрыва. Массивная звезда — это звезда, в которой в течение её жизни происходит несколько типов термоядерных реакций. Она заканчивает тем, что производит железо, которое не может участвовать ни в каких дальнейших экзотермических реакциях синтеза. Это тяжёлое железо падает, следовательно, в центр звезды, как зола в камине. Когда звезда внезапно исчерпывает топливо (как понял Цвикки), она коллапсирует на себя со скоростью 80 000 километров в секунду (плюс-минус километр в секунду, конечно). При падении на железное ядро газ сильно сжимается. Он не только отскакивает, но и происходят несколько реакций синтеза, которые больше не должны быть экзотермическими, поскольку энергия поступает от брутального сжатия звезды на себя. Создаются всевозможные ядерные виды, включая множество радиоактивных атомов с крайне переменчивыми временами жизни. В 1987 году взрыв звезды Сандулик в Магеллановом облаке дал окончательное подтверждение существования таких явлений (всего в 150 000 световых лет от нас).
Феномен полностью раздавливает железное ядро, разрушая его атомы. Оно сжимается настолько, что электронам больше не хватает пространства для движения между нуклонами. Оказавшись в ловушке, они соединяются с протонами, образуя нейтроны и нейтрино.
Обычно, когда мы сжимаем газ, явление, известное как давление, противодействует сжатию. Это верно и для жидкости, и для твёрдого тела (всё сжимаемо). Так происходит при рождении молодой звезды. Протозвезда — это масса газа, которая оседает на себя. Но при этом она нагревается, и сила давления ограничивает сжатие. Она является плохим излучателем, но должна терять энергию посредством излучения (инфракрасного), прежде чем сможет сжаться достаточно, чтобы стать настоящей звездой. Однако если её масса недостаточна, она превратится в «большой Юпитер» (эта гигантская планета продолжает излучать больше энергии, чем получает от Солнца, но никогда не станет звездой).
Когда взрыв сверхновой сжимает железное ядро, последнее выводит свою энергию, испуская фантастическое количество... нейтрино. Здесь сценарий полностью меняется: радиационное охлаждение происходит мгновенно, потому что нейтрино могут легко покинуть область. Следовательно, нет никакого противодавления. Комок железа жалко раздавливается. Остаётся лишь куча нейтронов, прижатых друг к другу, как японцы в метро в час пик.
Почему критическая масса? Потому что нейтроны не могут выдерживать давление выше максимального значения. Как электрические лампочки, наваленные в шахте. После определённого уровня лампочек стекло сломается, и куча битого стекла упадёт на дно шахты.
Когда нейтронная звезда имеет массу, немного превышающую двойную массу Солнца, давление в её ядре становится слишком большим. Нейтроны больше не могут его выдерживать. Тогда предполагается, что она коллапсирует на себя, и ни одно известное физическое явление не способно противостоять этому «гравитационному коллапсу». Это удручающая перспектива для астрофизика.
Ещё до взрыва нейтронная звезда является «релятивистской», в отличие от «ньютоновского» объекта. Это видно по виду траекторий «пробных частиц» вблизи массы m (например, атома). Мы знаем, что явление искривления пространства-времени вызывает прецессию эллиптической орбиты Меркурия. Но прецессия ничтожна. Однако следующий рисунок, полученный в результате компьютерных расчётов, показывает значительную прецессию квазиэллиптической траектории вокруг нейтронной звезды.

Таким образом, нет и речи об описании нейтронной звезды с помощью «ньютоновского материала».

Программа расчёта относительно проста, и однажды, когда у меня будет время, я выложу её на сайт, чтобы вы могли с ней поиграть и показать явление гравитационной линзы (сильно преувеличенное на следующем рисунке):

Итак, поскольку речь идёт об описании судьбы нейтронной звезды, достигающей критичности, необходимо использовать «уравнение поля», уравнение Эйнштейна.

S = c
T

T — это «тензор», описывающий локальное содержание «материи-энергии». Тензор равен нулю снаружи и не равен нулю внутри. Следовательно, геометрическое решение должно выводиться из двух уравнений.
Для внутренней области:

S = c
T

для внутренней области

S = 0

Решения для уравнений такого типа называются «метриками». Однако неважно, какую форму принимают объекты. Кроме того, они являются «тензорами», и чтобы понять, что такое тензор, удачи... Мне это потребовало немало времени.

С Солнцем связана локальная «геометрия», которая является решением двух уравнений. Первое описывает внутреннюю часть Солнца, а второе — пустоту вокруг него. Однако мы можем описать лишь своего рода «идеальное Солнце», которое представляет собой сферу, заполненную материей постоянной плотности. Но это лучше, чем ничего. Эти решения имеют математические выражения, которые мы здесь не будем приводить. Они вам ничего не скажут. У каждого есть своя «личная патология». Обозначим rn радиус звезды постоянной плотности r. Из этой плотности r и значения c скорости света мы можем вычислить первый характеристический радиус, «R circumflex» (R с крышечкой):

Внутреннее геометрическое решение является «непатологическим», если и только если значение радиуса rn меньше этого критического значения.

С теми же данными мы можем вычислить второй характеристический радиус:

который мы называем «радиусом Шварцшильда» Rs. Внешнее решение, которое относится к «пустоте», окружающей нашу звезду постоянной плотности r и постоянного радиуса, будет непатологическим, если и только если значение радиуса звезды rn больше этой характеристической длины. При объединении обоих условий необходимо, чтобы:

Величина справа зависит от плотности звезды (от 10^15 до 10^16 граммов на кубический сантиметр). При постоянной плотности величина слева возрастает как куб радиуса Rn звезды.

Это справедливо для Солнца, рассматриваемого в первом приближении как звезда постоянной плотности. Что мы подразумеваем под «патологиями»? Всё: величины под корнями, которые становятся отрицательными, знаменатели, которые становятся нулевыми. Следовательно, мы видим, что звезда постоянной плотности не может быть описана следующим типом стационарного решения:

«Радиус Шварцшильда» Солнца составляет 3,7 км: он находится глубоко внутри (rn). Вы можете развлечься, вычислив его, учитывая, что его радиус составляет 695 000 км, значение второго критического радиуса «R circumflex» выше.

Если бы речь шла о Солнце, то в масштабе рисунка радиус Шварцшильда (3,7 км) был бы всего лишь точкой, а радиус «R circumflex» вышел бы далеко за пределы листа. Приведённый выше рисунок скорее относится к «докритической нейтронной звезде».

Как происходит «подъём к критичности»? Достаточно добавлять слои нейтронов, увеличивая постоянную плотность (мы уподобляем нейтронную звёзду, если не твёрдому телу, то хотя бы капле практически несжимаемой жидкости).

Приведённые выше кривые получаются простым использованием показанной формулы. Радиус звезды увеличивается, но «радиус Шварцшильда» догоняет его. И они встречаются, когда rn достигает значения «R circumflex». Тогда на поверхности звезды величина подкоренного выражения становится отрицательной, знаменатели становятся нулевыми и т.д. Это математическое, геометрическое выражение критичности. Что просто означает невозможность описать звезду, используя либо одно, либо оба комбинированных геометрических решения, полученных из уравнения Эйнштейна со вторым членом, не равным нулю (внутри) или равным нулю (снаружи). Характерное максимальное значение этого радиуса составляет около 20 километров. Из этого можно вычислить плотность нейтронной звезды.

Но есть кое-что малоизвестное, в том числе среди «космических людей», хотя это следует из работ, проведённых в 40-х годах: существует другая критичность, на этот раз физической природы, которая появляется непосредственно перед тем, как радиус звезды достигает этого значения. Это очень близкое значение, меньшее всего на 5%. Но когда радиус звезды достигает его или, что то же самое, масса достигает значения, вдвое превышающего массу Солнца, давление в центре звезды становится бесконечным, согласно модели «TOV», разработанной в 40-х годах Толманом, Оппенгеймером и Волковым (Оппенгеймером от бомбы).

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

Это фундаментальные данные для нас.

Ниже показано изменение давления внутри нейтронной звезды в зависимости от расстояния до её центра для различных масс:

...Возможно, учёные, как и другие, не задают себе вопросов, на которые, по их мнению, они не могут ответить. Как ответить на вопрос:
- Что происходит в среде, где в определённой точке давление внезапно становится бесконечным?
Но никто не задавал этот вопрос, по крайней мере, не в такой форме. По-видимому, это никого не насторожило. Многие специалисты по космологии, с которыми я говорил, не были осведомлены об этом аспекте.
Вернёмся к «истории чёрной дыры». Можно сказать: явление имплозии дестабилизированной нейтронной звезды является нестационарным явлением. Следовательно, давайте построим нестационарное решение для системы двух вышеуказанных уравнений. Однако мы не знаем, как это сделать достоверно. Поэтому теоретики обратились к «внешнему решению» (тому, которое описывает, например, геометрию вне Солнца и которое становится «патологическим» на радиусе Шварцшильда 3,7 км).
- Другими словами, «уберём Солнце» и исследуем свойства этой геометрии. Просто так...
- Но это решение относится к пустой Вселенной?!

• Не обращайте внимания, давайте посмотрим, что получится...
  Началось изучение радиальных траекторий объектов в свободном падении к тому, что при таких условиях было бы «чёрной дырой солнечной массы» диаметром 3,7 км. Переменная t была сохранена, она должна была относиться ко времени, испытываемому «внешним наблюдателем», добрым землянином, смотрящим на Солнце, которое они только что испарили. Было обнаружено, что время свободного падения каждой пробной частицы, измеренное по этому времени, становится бесконечным. Однако если бы мы прикрепили часы к указанной частице, она достигла бы геометрического центра объекта за конечный промежуток времени.
  Поэтому теоретики предложили следующее видение:
• Это стационарное внешнее решение находит новое, providential (судьбоносное) применение. В самом деле, гравитационный коллапс происходит за очень короткий период (около одной десятитысячной секунды для дестабилизированной нейтронной звезды). Однако поскольку явление кажется длящимся бесконечно долго для «внешнего наблюдателя», стационарное решение можно использовать для описания явно нестационарного явления.
  Если нет дроздов, будем есть скворцов....
  Исходя из этой идеи, теоретики начали задаваться вопросом, что произойдёт с материей, когда она пересечёт поверхность Шварцшильда. И там они нашли все упомянутые ранее ужасы. Время частицы стало... чистым воображением. Скорость частицы превысила скорость света. Она становится тахионом, масса которого... мнимая и т.д., и т.д.
  Некоторые даже предполагали (и это можно найти во многих книгах), что внутри сферы переменная r превращается во время, а переменная t — в... радиальное расстояние.
  Как говорил Жан Хейдман, космолог из Мёдона, ныне на пенсии:
  • Когда речь заходит о чёрных дырах, нужно оставить здравый смысл в гардеробе...
    При таких условиях, если мы решим забыть о здравом смысле, где предел неразумности? Как мы решаем построить «физику ненаблюдаемого». Это случай «тёмной материи», о которой говорят и пишут всё что угодно, часто со скоростью несколько десятков статей в день. Никто, похоже, не изучал модель-близнец, подробно разработанную на моём сайте. Однако некоторые иностранные исследователи (Китай, Япония), похоже, хорошо ею заинтересовались.
    В этой области есть новости. В 88-89 годах я опубликовал три статьи в Modern Physics Letters A (воспроизведены на сайте), в которых выдвинул беспрецедентную идею космологии, в которой физические константы могут варьироваться, включая сакраментальную скорость света c. Эта идея была «переоткрыта» в 1993 году. С тех пор было опубликовано множество статей в очень селективных журналах, таких как Physical Review, Classical and Quantum Gravity. Уже существует довольно большая группа «варьировщиков констант». Некоторые из них обнаружили мою работу на интернет-сайте. Многие из них были ошеломлены, тем более что работа исходила из Франции, страны, которая никогда не заявляла о себе важными инновациями в космологии или даже в астрофизике (областях, типично немецких, русских, американских или британских). Контакт был установлен в очень сердечной манере. Китайцы, не без юмора, сказали, что им пришлось доставать атлас, чтобы найти местонахождение Марселя, и у них было «впечатление открытия неизвестного региона земного шара».
    Почему это отступление? Потому что, по нашему мнению, головокружительное увеличение давления в ядре нейтронной звезды должно изменять физические константы и создавать «гиперторический мост» между Вселенной и её близнецом. Это идея, требующая дальнейшего изучения. При этом, если помощь потребуется в этом предприятии, она, скорее всего, придёт от «варьировщиков констант», которые уже перешли черту. Пока что мы единственные «близнецоведы», но так может быть не всегда.
    Таким образом, по нашему мнению, контекст близнецов должен полностью изменить сценарий для дестабилизированной нейтронной звезды. Однако прежде чем мы сможем предложить модель-претендента, мы должны изучить классическую модель чёрной дыры. Именно это и делается в этой длинной статье. Вещи рассматриваются не «по порядку». В одном разделе мы внимательно изучили работу Крускала, показав ошибки в его подходе.
    Всё обосновано. В 1960 году Крускал заметил, что в исходной модели («метрика Шварцшильда») скорость света равна нулю на рассматриваемой сфере, «сфере горизонта», она же сфера Шварцшильда, и принялся лечить эту «болезнь».
    Но как работать с геометрическими решениями? Можно ли изобретать другие? Ответ — нет. Я полагаю, что статья ясно показывает произвольный характер выбора координат. По своей сути геометрическое решение является «инвариантным относительно координат», оно не зависит от выбранных координат. Представьте себе мыльный пузырь. Это поверхность. В одном смысле это решение уравнения поля, которое соответствует тому факту, что энергия, используемая в натяжении, чтобы уравновесить постоянное давление внутри пузыря, постоянна на всей его поверхности. На вопрос:
  • Какая поверхность реагирует механически таким образом, что может выдерживать внутреннее избыточное давление?
    Ответ:
  • Это сфера.
    Но эта сфера, геометрический объект, существует независимо от системы координат, используемой для идентификации её точек. Теперь мы знаем, что при использовании системы меридианов и параллелей мы создаём полярные сингулярности, кажущиеся сингулярными точки, хотя на самом деле они таковыми не являются. Это сингулярности, вызванные выбором координат. В случае сферы, кстати, эти сингулярности неизбежны. На рисунке ниже показана сфера и её система маркировки координатами широты и долготы.

Примечание: Мы можем нанести карту сферы, дать ей систему маркировки с двумя параметрами, используя только один полюс. См. следующие рисунки:

Первая маркировка, первое семейство кривых с одним параметром a, полученное путём сечения сферы плоскостями, проходящими через прямую, касательную к одной из её точек.

Это сочетается со вторым семейством кривых, полученным путём сечения той же сферы вдоль другой прямой, касательной к сфере в той же точке, например, ортогональной первой.

Сфера, таким образом нанесённая на карту, вид с другого угла, который скрывает её единственную сингулярность.