Що е то "бяла дупка"?

В предишната публикация споменах накратко за т.нар. "бяла дупка" и сега, в отговор на коментар на Станислав Янков, пускам малко повече информация за това какво е бяла дупка.

Бялата дупка всъщност не е точна противоположност на черната. Това е така, защото бялата се получава от черната като обърнем времето (time reversal). При тази трансформация ускорението не променя знака си (инвариантно е), т.е. и двете дупки привличат материя. Разликата идва при хоризонта на събитията.

Хоризонтът на черната дупка поглъща материя, докато хоризонтът на бялата дупка "излъчва" материя, привличайки я! С други думи, хоризонтът на бялата дупка се отдръпва от падащата към нея материя (което прилича на излъчване). Стига се момент, в който хоризонтът на бялата дупка се свива до сингулярността, при което дупката изчезва. Извод: Там, където има материя, не може да съществуват бели дупки.

Бялата дупка се среща само в абстрактния математически свят, при решение на уравнения, описващи т.нар. червейна дупка на Schwarzschild (или мост на Айнщайн-Розен) във вакуум. Това представлява черна дупка, свързана с бяла дупка чрез тунел през пространство-времето. Това решение на уравненията обаче няма смисъл в реалната Вселена, защото черната дупка никога не е във вакуум: тя се образува при колапс на звезда, т.е. при присъствие на материя. Когато включим материята в уравненията, белите дупки изчезват от уравненията.

Дали съществуват самостоятелни бели дупки? Това не е много вероятно, понеже се нарушава втория закон на термодинамиката.

Съществува обаче теория, според която щом се роди черна дупка някъде във Вселената, вътре в нея става "голям взрив", при което се образува нова вселена. Тази вселена се разширява в други измерения, отвъд нашите и невидими за нас. Материята, която е погълната от черната дупка в нашата вселена става материя, която изгражда новата вселена. Разширението на новата вселена може да се разглежда като "бяла дупка". Тази бяла дупка обаче няма конкретни координати, а хоризонтът на събитията й съвпада с космологичния хоризонт на новата вселена. Интересна теория, която обаче не може да бъде доказана в момента.

Допълнителна информация (на английски):
New Theory: Universe Was Born in a Black Hole (Space.com)
Schwarzschild wormhole (Andrew Hamilton's Homepage)

Открита е най-масивната черна дупка, 2008

След известно прекъсване по празниците се връщам отново към страниците на този блог. Искам първо да честитя Новата 2008 година на всички читатели и да ви пожелая здраве, успехи и безгранично вдъхновение за нови открития и амбициозни начинания.

Ето и първата публикация тук за тази година: От сайта Space.com научаваме, че е открита най-голямата свръхмасивна черна дупка във Вселената — 18 милиарда пъти по-масивна от Слънцето, или 6 пъти по-масивна от предишния рекордьор. Намира се на 3.5 млрд св. г. в сърцето на квазара OJ287. Това не е изненада, защото моделите отдавна подсказват за наличието на такива гиганти, но е първото реално доказателство. Разбира се, този рекорд без съмнение ще бъде подобрен, но засега фактите са красноречиви.

Черните дупки не могат да бъдат директно наблюдавани, затова астрономите използват косвени методи за засичането и изследването им, като влиянието на силно концентрираната маса върху траекториите на близки звезди и др. Така те определят и големините на черните дупки. Квазарите пък са активни ядра на галактики, които получават енергия от падащата материя в свръхмасивните черни дупки в тях. Те са по-малки от Слънчевата система, но светят по-силно от милиарди слънца.

Специално този квазар (OJ286) е известен на астрономите отдавна и се знае, че от него редовно идват по два пулса светлина за период от 12 години. Два от тях бяха наблюдавани през 1994-1995 г., а първият от следващата двойка — през 2005 г. Тези наблюдения помогнаха на учените да настроят моделите си по-точно, като така те предвидиха, че следващият пулс ще пристигне на 13 септ. 2007.

Защо два пулса? Това има просто обяснение: в ядрото на галактиката има не една, а две черни дупки. Втората е по-малка, обикаля в акреционния диск на първата и два пъти на 12 години го пресича. Най-важното е, че точно на уречената дата от квазара дойде единичен светлинен пулс. Това е солидно доказателство за правотата на модела и теорията за бинарната система. Следващият пулс се очаква през януари 2016 г.

В изследването участваха международна група от астрономи, които наблюдаваха небето с телескопи от цял свят.

________
Източник: Space.com
Изображение: Разрез през акреционен диск на свръхмасивна черна дупка, NASA

Най-странните неща във Вселената: мини черни дупки

В продължение на 10 седмици ще ви запозная малко по-подробно с всяко едно от явленията и обектите, включени в анкетата на space.com. Можете да гласувате за вашите фаворити тук :)

Тази събота е денят на мини черните дупки. Те са известни още като квантови черни дупки, защото са с много малки размери — от порядъка на елементарна частица. При такива мащаби квантовата механика играе огромна роля. Ето защо тези далечни братовчеди на обикновените и свръхмасивните черни дупки може да се окажат едни от най-странните неща във Вселената.

Според теорията, колкото по-малка е една черна дупка, толкова по-плътна трябва да бъде тя, за да съществува. Най-малката възможна черна дупка е от порядъка на Планковата маса (10^-8 kg), а известните ни закони на физиката позволяват съществуването на черни дупки с максимална плътност от 10^97 kg/m³. Такава е била плътността на ранната Вселена мигове след Големия взрив и учените предполагат, че тогава е възможно да са се образували т.нар. първични черни дупки.

Идеята за микроскопичните черни дупки вдъхновила физикът Стивън Хокинг да изследва как биха им влияли квантовите ефекти и през 1974 г. той доказал, че теоретично те би трябвало да излъчват топлинна енергия, обратно пропорционална на масите им. И докато при гигантските черни дупки тази топлина практически не може да се измери (защото е прекалено малка), то при мини черните дупки това е възможно. Този процес е известен като "изпарение".

Днес е невъзможно да създадем черна дупка в лаборатория, защото и за най-леката ще е необходима много повече енергия, отколкото можем да придадем на елементарна частица в ускорител. Дори в бъдещия LHC на CERN няма да могат да се достигнат такива високи енергии. И все пак има надежда. Според теорията, считана за най-близка до квантовата гравитация — теорията на струните (въведение) — Вселената има 11 измерения, а гравитацията е особена с това, че носителите й — гравитоните — не са обвързани с големите измерения и могат да се разпространяват и в скритите (малките) такива. Това значи, че тя (гравитацията) е много по-силна на близки разстояния от колкото се смята, което пък води до заключението, че мини черни дупки може да се образуват при доста по-ниски енергии, достижими в новия ускорител на CERN.

За сега обаче всичко това е само на теория и тепърва ще стане ясно дали Вселената наистина е устроена така. Откриването на мини черни дупки би било и силно доказателство на теорията на струните. LHC трябва да заработи през лятото на 2008 г.

________
Изображения: The case for mini black holes @ CERN
1. Симулация на черна дупка
2. Рисунка на изпарение на черна дупка

Пътуване във времето

Често идва ден, когато научната фантастика престава да бъде такава и влиза в учебниците като реалност. Дали това ще се случи и с невероятната идея за пътуване във времето обаче?

Учените дълго време са отписвали този въпрос поради очевидната му абсурдност, но забележителният напредък в областта на квантовата гравитация (теория, обединяваща квантовата механика и теорията на относителността) променя гледната точка на научната общност.

Пътуването във времето е свързано с редица парадоксални ситуации, най-известната от които без съмнение е историята за човека без родители. Ако един човек се върне назад във времето — тогава, когато бъдещите му родители не са се познавали — и направи така, че те никога да не се срещнат, в такъв случай той никога няма да бъде роден, следователно няма как да се върне назад във времето и да промени миналото си. Този парадокс е доста силен, нали?

Пътешествия в миналото и бъдещето винаги са били смятани за невъзможни. Според сър Исак Нютон времето е като стрела: Веднъж изстреляна, тя лети винаги направо и една минута на Земята е равна на една минута на Марс. По-късно обаче Айнщайн коренно променя схващането ни за света около нас. Според него времето е като река, която тече покрай звезди и галактики, забързва се и се забавя като минава покрай масивни тела. Една минута на Земята не е равна на една минута на Марс и часовници, разпръснати из вселената, отмерват свое собствено време.

Преди Айнщайн да умре, той бил изправен пред неприятен проблем. Курт Гьодел — брилянтен математик и негов колега в Принстън — намерил друго решение на уравненията на Айнщайн, според които пътуването във времето е възможно. Решението на Гьодел представлявало вселена, в която времето се върти в кръг и ако човек тръгне по посоката на въртене, то рано или късно ще се върне в миналото си. Сякаш в "реката на времето" имало водовъртежи! Айнщайн отхвърлил това решение.

През 1963 година новозеландският математик Рой Кер открил странно решение на уравненията на Айнщайн за въртяща се черна дупка: За разлика от считаното дотогава, тя не би се свила до една точка, а би станала въртящ се пръстен от неутрони. Частиците биха се въртяли толкова бързо, че центробежната сила няма да им позволи да "паднат" в дупката. Човек би могъл дори да мине през получения пръстен, като това може да го отведе в паралелна вселена. От тогава до сега са открити стотици решения, водещи до теоретичните червейни дупки. Тези червейни дупки могат да свързват не само далечни области от пространството, но и от времето!

Опитите на физиците да обединят квантовата механика с гравитацията и да стигнат до "теория на всичко" са довели до интересна гледна точка относно парадоксите на пътуването във времето. Според квантовата теория всеки обект може да е в множество състояния. Например електрон може да се намира едновременно на различни места в орбиталния си облак, а известната котка на Шрьодингер може да е едновременно в две състояния: жива и мъртва.

Като се връщаме назад във времето и променяме миналото, ние променяме миналото на една паралелна вселена, но нашето минало остава непроменимо.

Това значи ли, че все пак ще можем да се качим в машина, да натиснем няколко копчета и да се пренесем стотици хиляди години напред във времето? Отговорът е: Не и в обозримото бъдеще. Съществуват редица пречки, които засега са непреодолими. За една машина на времето ще са необходими колосални количества енергия, които могат да се добият или директно от някоя звезда, или чрез т.нар. екзотична материя, или ако открием източник на отрицателна енергия*. За реализирането на някой от тези методи ще ни трябват може би столетия!

Друга пречка е стабилността: Една червейна дупка може да загуби стабилност и да се разруши при преминаването на нещо през нея; възможно е дори самите квантови ефекти да унищожат дупката преди през нея да мине каквото и да е. За жалост математиката ни не е достатъчно силна да реши въпросите относно стабилността, защото е необходима "теория на всичко", която да обедини квантовия свят с гравитацията. В момента теорията на суперструните е единственият кандидат за "теория на всичко", но никой не е достатъчно умен, за да я реши напълно.


________
* Подобно на пътуването във времето, отрицателната енергия също е била научна фантастика и физиците са смятали за невъзможно съществуването й. И все пак през 1948 година е открит т.нар. ефект на Казимир, при който мистериозна сила действа на две успоредни метални пластини на много малко разстояние една от друга. По-късно тази сила била измерена.

(постът е написан въз основа статията на Michio Kaku: Is Time Travel Possible)

Червейни дупки

Червейните дупки са вероятно последствие от Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн. На него му е дошла забележителната идея, че масата изкривява пространството и че колкото по-голяма е тя, толкова по-силно го изкривява. Тази странна догадка била доказана от Артур Едингтон през 1919 г, когато посетил остров Принсипи до брега на Африка, за да наблюдава слънчево затъмнение. Там той доказал, че Слънцето огъва праволинейните светлинни лъчи от звездите, пред които минава. Теоретично, червейна дупка може да се получи когато две или повече масивни тела огънат пространството и тъканта му се съедини, като в резултат се получава тунел между далечни места.

Най-лесно е да си представим това като мислим в две измерения. Ако пространството е притворен на две лист хартия и поставим тежест от едната страна, хартията ще хлътне. Ако и от другата страна поставим тежест, двете хлътнатини ще се докоснат и ще се образува точно такъв тунел, свързващ две отдалечени точки от листа.

Въпреки че да бъдеш всмукан през тъканта на пространството звучи доста страшно, червейните дупки представят удивителна възможност за пътуване през пространството и времето. Чрез тях могат далечни галактики да се окажат на една ръка разстояние. Освен това, минавайки през такава дупка един вид се пътува по-бързо от скоростта на светлината, което значи, че те са и машини на времето и позволяват да се отиде в бъдещето.

Никой не знае съществуват ли червейни дупки или не, още по малко е известно какво ще се случи с космически кораб, изпратен през такъв тунел. Ако съществуват, то живота им може да е много кратък и космическият кораб може дори да няма достатъчно време да премине от другата страна. Ако все пак той успее да мине, масата му може да затвори тунела и астронавтите да не се завърнат никога.

(превод от ВВС)