Малки, тъмни и тежки. Но дали това са наистина черни дупки? Вярвай, но проверявай!

Автор: доц. Пламен Физиев

Това малко дълго заглавие е компилация от заглавията на две чисто научни статии, публикувани в реномирани научни списания.
Авторът на първата статия се казва Мат Висер. Той e известен теоретик в областта на съвременната теория на гравитацията, сънародник и ученик на знаменития новозенландец  Рой Кер – откривателят на носещите неговото име точни решения на уравненията на Айнщайн.   Много учени предполагат, че решенията на Кер биха могли да oписват въртящи се черни дупки. В статията си Мат Висер отбелязва, че  невинният въпрос дали черните дупки съществуват реално в Природата е доста по-сложен, отколкото може да се очаква. Особено ако съдим за това по не особено компетентните, а често и откровено преднамерени коментари на средствата за масова информация. Понякога в посока на необосновано опростяване на проблемите работят и някои специалисти.

01.mat

Мат Висер
Малки, тъмни и тежки. Но дали това са наистина черни дупки?

02.ker

 Рой Кер,
откривателят на точните математически решения на уравненията на Айнщайн, описващи гравитационното поле на някои въртящи се обекти

Отговорът зависи съществено от това, дали разсъждавате като астроном  наблюдател, като математик – специалист по общата теория на относителността (ОТО), или като специалист по теоретична физика – наука, призована да търси законите на Природата на базата на постиженията на експерименталната и наблюдателната физика и астрофизика.

03-ainstain

Алберт Айнщайн
През двадесетте години на XX век той създава Общата теория на относителността (ОТО). Това е съвършено нова за времето си теория на гравитацията със силно математичен и геометричен характер. Тя използва римановатаа (неевклидовата) геометрия за да опише изкривяването на пространство-времето от телата.

  • Астрономите,  без съмнение, наблюдават стотици малки, тъмни, компактни обекти с необикновено големи за размерите си маси и силни гравитационни полета.
  • За хората, занимаващи се с математична физика и изучаващи решенията на ОТО, съществуват математични решения, наричани „черни дупки“. Тяхната характерна особеност е съществуването на затворена, достатъчно малка област в пространство-времето, която по дефиниция не комуникира с външните области. Тази ненаблюдаема по самия замисъл вътрешност на черната дупка е отделена от околната област чрез затворена повърхнина, наречена хоризонт на събитията. Хоризонтът на събитията  притежава малко странното на пръв поглед свойство да пропуска физични сигнали и обекти само навътре в черната дупка, без да позволява  на никакви, намиращи се вътре обекти или физични сигнали да излязат навън, където, слава Богу, се намираме ние. Оттам и названието „черна дупка“, предложено на масовата публика като „търговска марка“ в края на 1967 г. и популяризирано в течение на десетилетия от Джон Уилър. Неговият авторитет, опит и огромно влияние в САЩ, където преди това ръководи теоретичните отдели и на двете успешни американски програми по създаване и на атомната, и на водородната бомба,  изиграват решаваща роля и за успешната  многогодишна професионална пропагандна кампания в полза на черните дупки.
  • Ако попитате обаче един физик-теоретик, какъвто е и авторът на настоящата статия, той ще ви каже, че самото понятие „черна дупка“ крие множество вътрешни противоречия и теоретични трудности, които и до днес не са преодоляни, а заедно с това и ред противоречия с добре установените закони на физиката. Освен това до момента ние не разполагаме с безспорни и достоверни факти и доказателства за това, че наблюдаваните от астрономите обекти наистина могат да се описват чрез намерените от математиците решения на уравненията на Айнщайн от ОТО.

John_Wheeler

Джон Уилър (09.06.1911-13.04.2008)

На 29 декември 1967 г. в западната бална зала на хотел Хилтън в Ню Йорк, по време на популярна лекция по случай Новогодишния бал на физиците той  използва за пръв път публично термина „черна дупка“.

Тази дата се приема за рождена дата на черните дупки.

Richard Feynman

«Религията борави с вяра,
науката със съмнение.».

Ричард Файнман

Нобелист по физика за 1965,
докторант на Джон Уилър

Вярата в такава, чисто теоретична възможност е необоснована.  Известни са редица случаи на съществуващи решения на уравненията на много по-прости от ОТО математични теории, които нямат физичен смисъл и се отхвърлят от физиката като несъответстващи на законите на Природата. Добре известен пример се дава от уравненията Максуел, описващи с голяма точност наблюдаваните електромагнитни явления. На някои решения на тези уравнения се базира целият ни съвременен живот, който не можем да си представим без електричество и електроника. Независимо от това, повечето решения на уравненията на Максуел не удовлетворяват изискванията на физиката и се отхвърлят като нефизични. Както казва един известен математик, чудото се състои в това,  че въобще съществуват решения, които имат физичен смисъл и приложения. Така че не е никакъв аргумент фактът, че някои математични решения на уравненията на Айнщайн са способни да опишат части от реалността с голяма точност.  Изискванията към физически смислените решения на уравненията на която и да е добре проверена  теория, като ОТО, са много по-сериозни и разнообразни от простия математичен факт, че сме решили някаква, макар и сложна математическа задача. Само сравнението с ДОСТАТЪЧНО ТОЧНИ експерименти, както и наличието на РЕШАВАЩИ тестове и наблюдения, могат да ни покажат дали дадени математични решения имат връзка с реалността и представляват приемлив математичен модел на Природата, или са просто поредният математичен куриоз, несъществен и неинтересен за физиката.
Оттук и заглавието „Вярвай, но проверявай“ на статията на известния  млад американски физик  теоретик  Скот Хю от Масачузетския технологичен институт.

Hugh Scott

Скот Хю:
„Вярвай, но проверявай“

Поради горните съображения  коректните  учени, и в частност, прецизните астрономи, наричат наблюдаваните тежки, компактни и тъмни обекти „кандидати за черни дупки“.
Самият Рой Кер в излезлия наскоро сборник от научни статии, посветени на 50-тата годишнина на неговото знаменито математическо откритие, казва:„…решението на Крускъл за невъртящи се черни дупки няма отношение към реалността. Същото се отнася и до решението на Кер…“То има два хоризонта – външен и вътрешен. Именно вътрешният хоризонт е един от източниците на физическа несъстоятелност на черните дупки на Кер. Доказани са доста математични теореми за съществуване на математичните черни дупки, обаче в техните доказателства се правят предположения, които могат да се окажат неверни, продължава Кер. Самият аз, пише той през 2007 г., вярвам, че е по-вероятно вътрешен хоризонт да не може да се образува никога. Но това означава несъстоятелност на цялото решение на Кер, или поне на онази му част, която описва вътрешността на „черната дупка на Кер“. А в същото време разполагаме с теорема, че това е единствената възможна незаредена черна дупка на ОТО.
Приема се, че е възможно да се образуват черни дупки на Кер в резултат от гравитационния колапс на извървелите до края еволюционния си път достатъчно тежки (над 40 слънчеви маси) звезди. Причината е, че когато изтощят напълно енергийните си запаси, тежките звезди губят способността си да се съпротивляват на гравитационната сила, която се стреми да ги свие безгранично, и тогава започва  неудържим процес на гравитационно свиване на веществото на звездите, наречен гравитационен колапс.  По някакъв неясен начин веществото на звездата трябва да изчезне, като се преобразува в чисто изкривяване на самото пространство-време, загубвайки почти всичките известни на физиката свойства. Математичните черни дупки, като специален вид изкривено ПРАЗНО пространство-време, в което няма материя,  могат да притежават само три от известните ни характеристики на веществото:  маса,  механичен момент на въртене и електричен заряд. Всички други характеристики, известни на физиката, например барионен заряд, лептонен заряд и т.н., трябва тайнствено да изчезнат в хода на  хипотетичния процес на гравитационен колапс.

two black holes

Условно изображение на две черни дупки – голяма и по-малка, които взаимодействат помежду си според ОТО  и кръжат една около друга, представлявайки сами по себе си  изкривявания на празното пространство, в което няма никаква материя. Тук за нагледност пространството е представено като двумерна крива повърхнина, а цветовете съответстват на силата на гравитационното поле на черните дупки.

От друга стана,  всички експерименти във физиката на елементарните частици с огромна точност  демонстрират запазване на тези основни характеристики на материята. Така че имаме две алтернативни възможности: или да се откажем от тези добре проверени физични закони в името на идеята за образуването на черните дупки, или да кажем, че образуването на черни дупки противоречи на добре установените физични факти и следователно е невъзможно.Тази малко позабравена  алтернатива се е обсъждала, без да се намери решение, през 60-те и 70-те години на XX  век от много изследователи.  Въпросът беше повдигнат наскоро отново от руските учени Анатолий Логунов, Мариан Мествиришвили и Семьон Герштейн, които застъпват непопулярната в момента теза, че образуването на черни дупки, описвани от решенията на уравненията на ОТО, е физически невъзможно.

Anatoly Logunov

Анатолий Логунов     

Family Gershteyn

Семьон  Герштейн

Забавно е, че горната  алтернатива не беше отчитана при обсъждане на очевидно нефизичната идея за раждане на мини-черни дупки на LHC в CERN. Нейната физическа несъстоятелност е ясна: При изследването на космични лъчи се наблюдават частици с енергии милиард пъти по-големи от планираните енергии на частиците в LHC. Знаем добре, че тези лъчи, идващи от космоса, не раждат черни дупки. Независимо от това, раздуханата от средствата за масова информация и други заинтересовани среди истерия по „опасността за поглъщане на Земята от създадена в LHC мини-черна дупка“  доведе до смехотворното обсъждане на въпроса, дали да се разреши  пускането на LHC, от Европейския съд в Страсбург.

LHC-tablica

Е, LHC заработи, макар засега с половината от планираната мощ поради технически проблеми, а Земята си е цяла и невредима, както е била през последните около 4,5 млрд. години, т.е. от момента на образуването си, въпреки че през цялото това време е била облъчвана от космоса с много, много повече от произведените в LHC частици, и то с много, много по-високи енергии, които ще си останат съвършено непостижими за земните ускорители, дори и в произволно далечно бъдеще. При това прецизните измервания показаха ясно, че мини-черни дупки не се образуват, а законите за запазване на физичните характеристики на елементарните частици продължават да се спазват с голяма точност при достигнатите досега от LHC високи енергии.
И ето тук е „вратичката за измъкване по терлици“ на любителите на черните дупки: а дали те не се раждат само при още по-високи енергии?  Или, както казваше един мой бивш докторант, направил кариера с черните дупки, когото ми се наложи да изгоня от кабинета си заради редица «блестящи изпълнения» от този род: „Един добър специалист винаги може да замота нещата така, че да не могат да го хванат“…

what_is_a_black_hole

Какво е черна дупка? Изглежда днес всеки
вече знае!

Една непозната
ми каза в
трамвая:
„Не разбирам нищо, но смятам, че това е адът. Влезеш ли вътре, няма връщане назад…“

Но да се върнем към сериозната наука, която като всяка човешка дейност неизбежно се преплита със спекулациите. Често се посочва, че идеята за съществуване на невидими много тежки обекти,  които се откриват САМО по силното им гравитационно поле, е много стара и е изказана независимо от английския учен Джон Митчел през 1783 г. и от по-известния френски учен Пиер-Симон Лаплас през 1793 г. И двамата отбелязват, че ако светлината се състои от частици, които, макар и извънредно леки, все пак имат малка маса, то би могло да съществуват свръх звезди с достатъчно голяма  маса M от НОРМАЛНА МАТЕРИЯ, гравитационното поле на които е толкова силно, че дори светлината да не може да се измъкне от него.

John Mitchell

Джон Митчел

Laplace

Пиер-Симон Лаплас

На малко по-строг език това означава, че изстреляни от повърхността на звезда с радиус R star в радиално направление частици със скорост, по-малка от т.нар. втора космическа скорост, не  могат да се отдалечават произволно далече, а само до някакво разстояние R star .  До това заключение се стига на базата на Нютоновата теория на гравитацията с гравитационна константа G. За достатъчно тежки свръхзвезди втората космическа скорост може да се окаже по-голяма от скоростта на светлината –c. При това за светлинните частици   formula1.png (306×68), където, formula2.png (137×44) , е т.нар. радиус Шварцшилд, въведен от него през 1916 г. в рамките на ОТО. И  понеже светлинните частици се движат с максималната съществуваща в Природата скорост, то никакви обекти, дори и светлината, не могат да се измъкнат от гравитационното поле на  свръхзвездата на разстояния, по-големи от  (вж. фигурата по-долу). В класическата физика не е изключено радиусът на звездата  да е по-малък от радиуса на Шварцшилд , макар че за известните ни реални тела това не е така. В оригиналния модел на Карл Шварцшилд  въобще не става дума за черни дупки, а за гравитационното поле на нормалните тела в пространството, извън самите тях. Днес този модел е добре проверен и потвърден  експериментално с добра точност. Свръхзвездите на Митчел-Лаплас са също нормални тела и нямат нищо общо с «дупки» в пространство-времето.
Както вече беше посочено, черните дупки са  предложени от Джон Уилър едва в края 1967 г. като нова интерпретация на оригиналното решението на Шварцшилд, която самият Шварцшилд  е отхвърлял в анализите си. Така че сравняването на свръхзвездите на  Митчел-Лаплас с черните дупки от ОТО, които представляват изкривено ПРАЗНО пространство, и не съответстват на представите на самия Шварцшилд, е само подвеждаща и повърхностна спекулация.

14-krugTablica

Схема на свръхзвзвезда на Митчел-Лаплас. Излъчената от повърхността на звездата светлина не достига по-далеч от радиуса  от . Заради това по-далеч от него свръхзвездата е невидима и може да се открие само по създаденото от нея силно гравитационно поле.

Естествено възниква въпросът, а не са ли наблюдаваните от астрономите обекти, наричани напоследък често и “астрофизични черни дупки”, по-скоро нещо по-близко до свръхзвездите на Митчел-Лаплас, отколкото до интерпретацията на Джон Уилър на математичните решения на Шварцшилд и Кер? Груба грешка, корените на която са в някои недостатъчно коректно написани учебници и статии, е да се смесват тези два съвършено различни физични модела на наблюдаваните в Природата обекти.
Приемащите хипотезата за съществуването на  черни дупки в Природата  (разбирай математичните черни дупки!) разделят наблюдаваните астрофизични черни дупки  (Колко объркваща за  непосветените хора е тази неслучайно избрана терминология!)  на четири основни типа: първични черни дупки, родени по време на Големия взрив и възможно изпарили се и вече изчезнали; черни дупки със звездни маси от около 4÷25 слънчеви маси; междинни черни дупки с маси около 100÷10 000 слънчеви маси и свръхмасивни черни дупки с маси от няколко милиона до 10÷20 милиарда слънчеви маси, които се намират в центъра на болшинството, а може би и на всички галактики.  (Защо не, щом вече сме тръгнали по този път, да стигнем до края, пък там ще видим…)

  • От астрофизичните наблюдения знаем с голяма точност, че първичните черни дупки, ако въобще са съществували в началото, т.е. при самото възникването на Вселената, трябва да са били толкова малко, че тяхното присъствие да не се забелязва. Иначе отдавна бихме ги открили.
  • Обекти с 4÷25 слънчеви маси се наблюдават наистина, но тяхната връзка с математичните черни дупки не е доказана по безспорен начин. Всъщност астрономите, след години на натиск от страна на  математични теоретици-гравитационисти, приеха да считат за черни дупки всички обекти с маси, по-големи от 4 слънчеви маси, за които е ясно, че не са обикновени звезди, вървящи по пътя на добре изучената нормална звездна еволюция.

След приключване на звездния им цикъл за нормалните звезди  са ни известни  няколко варианта на финал в зависимост от тяхната маса. Най-леките преживяват сравнително слаб гравитационен колапс и се превръщат в бели джуджета с малки маси. По-тежките започват да колабират, но експлодират като свръхнови и ако началните им  маси са до 20÷30 слънчеви маси, те образуват бързо въртящи се неутронни звезди с маса около 1,4 слънчеви маси, като изхвърлят  останалото вещество в околното пространство. До скоро се считаше, че ако началната маса на „умиращата звезда“ е над 30÷40 слънчеви маси, в резултат от гравитационния колапс  тя задължително образува въртяща се черна дупка.
Като основна причина за неизбежното образуване на черна дупка се приемаше, че не познаваме други свръхкомпактни  обекти, освен неутронните звезди, а при определени допълнителни математични  предположения от ОТО следва, че тяхната маса не може да е много голяма. И досега не знаем каква е евентуалната горна граница на масата на неутронните звезди, но изглеждаше, че няма как тя да е над 2-3 слънчеви маси.  Поради това астрономите лека полека свикнаха да наричат „астрофизични черни дупки“ всички остатъци от загинали звезди, които имат маса над 4 слънчеви маси. При това НИКОГА не сме разполагали с доказателство, че тези обекти наистина притежават  хоризонт на събитията, което е ЕДИНСТВЕНИЯТ безспорен признак за черна дупка.
Формалният и не много убедителен критерий за маса, по-голяма от 4 слънчеви маси, възниква и заради това, че по неясни засега причини не се наблюдават никакви остатъци от колабирали нормални звезди с маси в интервала от 3 до  4 слънчеви маси. Така се оформи „обществено мнение“, приело на вяра, че групата наблюдавани обекти с маси в интервала от 4 до около 20-25 слънчеви маси няма какво друго да бъде освен черни дупки, без да имаме сериозни доказателства за това.
Достоверността на това мнение става все по-съмнителна, поради нови наблюдателни факти от последните години, а също и поради конструирането  на нови теоретични модели на наблюдаваните тежки, компактни и тъмни обекти.

  • Част от новооткритите теоретични възможности са:  
  • Нов модел – т.нар. гравазвезди. Това са  компактни обекти, изградени от „тъмна енергия“, съществуването на която се подсказва от космологични данни, свързани с ускоряващото се разширяване на Вселената. Тези нови обекти биха изглеждали отвън точно като черните дупки, но нямат хоризонт на  събитията. Те са една съвременна версия на свръхзвездите на Митчел-Лаплас.

George Chaplin

Черни дупки не съществуват! Тези мистериозни обекти са звезди от тъмна енергия“ – Георг Чаплин
Nature, 31 март 2005 година

Георг Чаплин и Ричард Файнман

  • Модел на нов тип кваркови звезди, подобни на неутронните, но съставени директно от кварки.  Ако искаме по-детайлно разбиране, трябва да си представим неутронните звезди като едно гигантско атомно ядро, съставено от неутрони, колкото има в нормална звезда, а кварковите звезди – като един-единствен гигантски неутрон от кварки, колкото има в цяла нормална звезда. Масите на кварковите звезди са в диапазона до 20-25 слънчеви маси, т.е.  точно в областта на наблюдаваните обекти, считани за черни дупки със звездни маси.  Това също са обекти от типа на свръхзвездите на Митчел-Лаплас.

Засега теорията на такива обекти не е разработена толкова детайлно, колкото теорията на черните дупки, обмисляна повече от 40 години от много специалисти. Освен тези, са предложени и се разработват цели класове от други модели на материални тела, притежаващи външните свойства на черните дупки, но без мистериозния хоризонт на събитията и без дупка в пространство-времето.
Все пак астрономите, вече посвикнали с модела на черните дупки, го приемат като една от възможните  хипотези, нуждаеща се от сериозна проверка. А новите модели често наричат „имитатори на черни дупки“, макар че по-естествено и исторически обосновано би било черните дупки да се наричат „имитатори на свръхзвездите на Митчел-Лаплас“.

  • Съществено ново развитие получи теорията на гравитационния колапс. В частност, беше опровергана хипотезата на известния английски математик Роджер Пенроуз за така наречения „космически цензор“ – ключов елемент от теорията на черните дупки, разработвана активно от него и Стивън Хокинг през сдемдесетте години.

Penrose

Роджер Пенроуз

 

Stephen Hawking

Стивън Хоукинг

Тази хипотеза има за цел да прикрие съществените физични затруднения при третирането на вътрешността на черните дупки, и в частност, забелязаното от Хоукинг още през 1972 г. нарушаване на почти всички известни физични закони там, особено в близост до така наречената сингулярност, задължителното съществуване на която двамата доказват математически. „Изходът“ от тези ФИЗИЧНИ трудности, предложен от Пенроуз,е показателен за един математик: да ги представим като невидими за реалната физика, като предположим, че в хода на гравитационния колапс ЗАДЪЛЖИТЕЛНО възниква хоризонт на събитията, зад който на нас ни е все едно какво става – и без това физиката не може да го изследва и провери ПО ДЕФИНИЦИЯ. Ако такъв хоризонт не се образува, ще трябва да говорим за „гола сингулярност“ – нещо недопустимо от гледна точка на нормалната физика, понеже това ще направи видимо нарушаването на известните физични закони. Математическото изследване на тази хипотеза се оказа трудна задача и едва през последните няколко години се получиха убедителни ОБЩИ примери за нейната несъстоятелност, главно от индийския учен Панкай Джоши, работил и в Оксфорд, както и от няколко други независими учени.

Panko Joshi

Панкай Джоши

Тези изследвания легитимираха голите сингулярности – пренебрегван преди това подклас решения на Кер, допълнителен към черните дупки, и поставиха на дневен ред въпроса за сериозното им изследване като потенциално интересни за физиката, възможно дори по-интересни от черните дупки.
Резултатите на Джоши поставят под сериозно съмнение и развиваната дълги години т.нар. „термодинамика на черните дупки“, базираща се съществено на хипотезата на Пенроуз. Показателна и леко учудваща е реакцията на хората, занимаващи се с математичната теория на черните дупки: те заеха позицията на щрауса, заровил глава в пясъка, въпреки че резултатите са публикувани в най-реномираните физични списания и в монография, издадена от издателството на университета в Оксфорд … Освен това сходни и много близки резултати са получени и публикувани в най-реномирани физични списания и от редица други автори.

  • От новите наблюдателни факти, получени през последните години и  засягащи въпроса за съществуването на черните дупки, ще посочим  няколко:
  • Активното наблюдение чрез множество космически апарати на т.нар. гама-избухвания – една от големите загадки на съвременната астрофизика, показа убедително, че реалният гравитационен колапс не протича съгласно учебниците от шестдесетте и седемдесетте години на миналия век, а представлява доста по-сложно явление, в което присъствието на черни дупки е твърде съмнително. Вместо тях беше въведен терминът „централен двигател“, природата на който е напълно неизвестна, но за разлика от черните дупки се проявява чрез многократни избухвания, свързани и с образуването на космически струи със сложна динамика.

19-grafika

Многократна  активност на централния двигател.                 

20-izbuhvane

  Обща картина на гама избухване.

  •  Феноменът Уестерлунд 1.  Това е млад звезден куп в южното полукълбо:

21-izbuhvane

в който един млад астроном най-неочаквано откри неутронна звезда, посочена със стрелка на снимката. Какво от това? Работата е там, че звездите извървяват жизнения си път със скорост, пропорционална на тяхната масата. За да се получи неутронна звезда в толкова млад звезден куп, е необходимо създалата тази звезда свръхнова да има над 40 слънчеви маси. Но в такъв случай старата теория за гравитационния колапс твърди, че ще се получи черна дупка, а не неутронна звезда. Така че самото присъствие на неутронна звезда в такъв звезден куп поставя под въпрос теорията за гравитационния колапс на масивните звезди до черна дупка.

22-shema

Схема и истинска снимка на CygnusX-1: двойна система, възможно съдържаща черна дупка (или със сигурност – поне тежък, тъмен и свръхкомпактен обект):

23-CygnusX-1

CygnusX-1 – най-старият  и най-знаменит кандидат за черна дупка!

23-CygnusX-1_final_parameters

Обаче по данни от 2009 г. малкият компактен обект, считан за една от първите установени черни дупки със звездна маса, се върти прекалено бавно за такава. Може би е получен в резултат на твърде необикновен колапс? Не се знае със сигурност… А има и по-нови данни за по-бързо въртене на свръхкомпактния обект. Все пак това са само косвени признаци.

  • Измежду предполагаемите астрофизични черни дупки с междинни маси няма нито една, която да е пряко наблюдавана поне като видим компактен обект. Хипотезата за тяхното съществуване е основана само на измерването на скоростите на движение на видимите звезди в някои звездни купове. От резултатите се прави изводът, че наблюдаваните скорости и пространственото разпределение изискват присъствие на централно тяло с маса от 100 до 10 000 слънчеви маси. И понеже няма други предложения, не ни остава нищо друго, освен да се съгласим, че там трябва да има астрофизична черна дупка. За каквито и да е други доказателства или признаци, и в частност, за доказателство за съществуване на хоризонт на събития на предполагаемия централен обект,  изобщо и дума не може да става.

25

Два звездни купа, за които се прави извод, че може би съдържат тежък централен компактен обект, ако се съди по разпределението на видимите звезди и разпределението на техните скорости.

  • Накрая да скицираме ситуацията с „най-безспорните“ черни дупки – свръхмасивните черни дупки в  центъра на галактиките или в квазарите. Там наистина се наблюдават свръхкомпактни и свръх-масивни обекти с маси от няколко милиона до десетина милиарда слънчеви маси.

26

Големият въпрос е: КАКВО Е ТОВА?
Работната хипотеза–отговор: Ами какво друго, ако не черна дупка. Друго не можем да си представим, или по-точно, някои други възможности, като огромни бозонни звезди (друг вид съвременни хипотетични модели на обекти от типа на свръхзвездите на Митчел-Лаплас) или куп от близки неутронни звезди, не удовлетворяват данните. Например времето на живот на такива хипотетични образувания е недостатъчно в сравнение с живота на галактиките.
Какво пък, може и да са черни дупки. Само че никой не може да си представи как са възникнали, каква е еволюцията им, защо масите им са такива, каквито ги наблюдаваме, и няма още по-големи, какви са връзките им с нормалните звезди от дадената галактика. Няма отговори  и на още куп въпроси за наблюдаваните различни излъчвания от тези обекти, образуването на огромни космически струи, излизащи от тях и т.н. Не че няма опити за построяване на модели… Липсват приемливи решения!

Аргументи в полза на хипотезата за черни дупки в центъра на галактиките и против нея:

  • Огромни компактни маси:
  • Най-добри са данните за свръхмасивния обект в центъра на нашата Галактика, получени през последното десетилетие, благодарение на развитието на рентгеновата астрономия. С нейна помощ се наблюдава движението на двадесетина близки до центъра на Галактиката звезди (наречени S-звезди) и се получава следната впечатляваща картина.

27

Картина на орбитите на няколко наблюдавани чрез рентгенова астрономия звезди, движещи се около централния обект с неизвестна природа в центъра на нашата Галактика. По параметрите на тези траектории се определя с добра точност масата на обекта:
М = 4,31 ± 0,38  милиона слънчеви маси.

Напълно основателно и не без гордост учените, поучили тези резултати, ги коментират като аналог на опитите на Ръдърфорд,  довели до откриването на атомното ядро. Само че да не се увличаме. Резултатите не доказват, че в центъра на нашата Галактика наистина има черна дупка, въпреки че почти всички в един глас го твърдят и повтарят многократно.

  • Днес разполагаме и с голямо количество приблизителни данни за масите на откритите в центъра на над сто други галактики свръхтежки и свръхкомпактни обекти. Тези маси са в интервала от милиони до почти 10 милиарда слънчеви маси.
  • За известна част от тези обекти е определено и тяхното въртене. Те наистина се въртят. Това показва, че ако това са черни дупки, може да става дума само за математическите черни дупки на Кер. Но в никакъв случай не го доказва. Всяка свръхзвезда от типа на тези, за които вече стана дума, би могла да има същите параметри – маса и въртене.  Какво още ни трябва, за да сме сигурни, че имаме наистина работа с решенията на Кер?
  • За съжаление, ако вървим по този път на търсене на доказателство ще ни е необходима буквално безкрайно много допълнителна информация. Теорията показва, че  гравитационното поле на произволно тяло се задава чрез безброй много характеристики, определени от неговата истинска природа. Това са така наречените мултиполни моменти. За решенията на Кер те са пресметнати. Резултата не е сложен, но няма да го привеждаме тук, за да не претрупваме текста с детайли. Така че ако искате да се уверите, че имаме работа с решението на Кер, не е достатъчно да измерите масата и въртенето на обекта. Трябва да измерите и безкрайно голям брой допълнителни характеристики. Това е практически невъзможно.

 Миналата година, по данни от асрономически наблюдения на квазар, натрупани за повече от сто години, беше определено, че третият параметър на неговото гравитационно поле е вероятно близък до предсказания за решението на Кер:

28

На графиката е показана вероятността за дадена стойност на третия мултиполен момент на гравитационното поле на квазара OJ 287, влизащ в състава на двойна система на тела с маси 100 милиона и 18 милиарда слънчеви маси.
Ако това е черна дупка на Кер, стойността на показания параметър трябва да е точно 1. Това е доста вероятно, но не е сигурно. А и да беше точно 1, пак не е доказателство за черна дупка на Кер, а само подкрепа на това предположение.

  • Чрез внимателен анализ на данните може да се стигне и до извода, че тези обекти не са черни дупки:

29

Специфичен анализ на Волфганг Кунд, ученик на един от създателите на квантовата теория, Паскуал Йордан, и многогодишен ръководител на проекти в NASA.  Ако активните галактични ядра, показани на графиката, бяха наистина черни дупки, кривите трябваше да минават през тъмната област. Той пише в публикациите си с малко тъга: 40 години търсех доказателство, че това са черни дупки, а накрая показах точно обратното…

Kund

В отделна публикация Кундт привежда 5 други аргумента, твърдейки, че централният обект в нашата Галактика не може да бъде черна дупка. В интрес на истината трябва да се каже, че доста изследователи пренебрегват тези аргументи, без да казват защо…

  • Компактността на централните обекти на галактиките. За нашата галактика знаем, че централният обект има размер, не по-голям от 8-10 радиуса на Шварцшилд, т.е. от размера, който би имал, ако е наистина черна дупка. Дори да има точно необходимия размер, това също не е доказателство. Например, грава звездите имат същия размер, като черните дупки, но нямат хоризонт на събитията.
  • Малкото излъчване, наблюдавано че идва от централните обекти на галактиките, изключва някои от моделите. Ако имаме работа с черна дупка, то се обяснява не с излъчване от нея самата, а с излъчването на падащото в нея вещество, поради което тя не изглежда съвсем черна, обратно на наивните очаквания на художниците, някои от които дори са от NASA.

Как всъщност трябва да изглежда една черна дупка? Отговорът се дава от следната компютърна симулация на светлинни лъчи, минаващи край черна дупка (отляво):

31

Отдясно е показана снимка на истинска галактика, в центъра на която има нещо подобно. Обаче разделителната способност на телескопа е недостатъчна, за да се види дали има две малки черни петънца, както на компютърната симулация отляво, показваща „истинското лице“ на черна дупка. То изглежда така заради изкривяване на светлинните лъчи от силното гравитационно поле. Наскоро започнаха работа няколко космически мисии, руска и на NASA, които в различни диапазони на електромагнитния спектър биха могли да видят действителния образ  на черната дупка. Чакаме с нетърпение резултата!
Както става ясно, в изучаването на тежките компактни и тъмни обекти през последните години има сериозен напредък, но неясните въпроси са повече от известните добри отговори. Ние все още не знаем какво представляват тези обекти и трябва да сме готови за всякакви изненади.
Не е възможно да се отмине  още един много сериозен и важен проблем, свързан с черните дупки – гравитационните вълни, предсказани от теорията на Айнщайн като  разпространяващи се изкривявания на пространство-времето (схематично показани отляво), за регистрирането на които днес работят в синхрон 6 много скъпи (по около 1 милиард долара всеки) детектора (снимката отдясно) в разни страни на света (два в САЩ, два в Европа, по един в Япония и Австралия, а се строят и други).

32.1

32.2

Детекторът на гравитационни вълни LIGO, Ханфорд, САЩ

Може да се смята, че гравитационните вълни са открити косвено още при наблюденията на пулсара на Хълс-Тейлър (отляво), за което беше дадена Нобелова награда през 1993 г.

33

На графиката отдясно е показано прекрасното съвпадение с предсказанията на ОТО на измерените енергетични загуби от  двойната система на пулсара на Хълс-Тейлър заради излъчване на гравитационни вълни. Това може да се разглежда като косвено потвърждение на съществуването на гравитационни вълни.

34
Гравитационни вълни,  получени от сблъскване на две черни дупки чрез компютърни симулации от групата на Джоан Центрела, NASA.

34.1Заснети две взаимодействащи си  „черни дупки“ в центъра на реална галактика – „танц на индианците“.

Теорията предсказва, че най-мощните гравитационни вълни се биха излъчили при сливане на две черни дупки или при поглъщане на някаква звезда (неутронна, бяло джудже или обикновена) от  черна дупка.

Ако заподозрените тежки тъмни компактни обекти в нашата Галактика са наистина черни дупки, трябва да наблюдаваме и техни сливания, констатирайки мощни гравитационни вълни. Броят на такива кандидат-черни дупки в нашата  Галактика се оценява на около 10 милиона. Може да се оцени честотата на техните сливания. Чувствителността на съвременните гравитационни детектори позволява да се регистрират такива сигнали, идващи от разстояние до около 25-27 мегапарсека. В този обхват влизат хиляди галактики като нашата. Поради това се очакваше, че гравитационни вълни, получени от описаните сливания, ще се наблюдават достатъчно често – поне по едно-две на месец, или в най-лошия случай – по едно-две годишно. Обаче след 6 години безупречна работа на 6-те детектора досега не е наблюдавано НИТО ЕДНО такова събитие.
Най-смущаващото е, че се наблюдават десетки къси гама избухвания, моделът за които беше сливане на две черни дупки или поглъщане на неутронна звезда от черна  дупка.

35

Компютърна симулация на поглъщане на неутронна звезда от черна дупка. Ако кандидатите за черни дупки са наистина такива, годишно трябва да наблюдаваме от 1  до 100 такива събития в нашата Галактика. За 6 години наблюдения няма регистрирано нито едно!

Някои от тях изглеждат много близки – имаше едно в М31 (мъглявината Андромеда – най-близката до нас съседна галактика, само на  2,5 милиона светлинни години), но детекторите не регистрираха никакви сигнали от гравитационни вълни.

36

Наблюдаваното в М31 гама избухване в електромагнитния диапазон.

37

Сигнал от гравитационни вълни няма!

Загадката е пълна, както и разочарованието на хората, работещи за ПРЯКО наблюдаване на гравитационни вълни. Каква е причината да не ги виждаме въпреки прогнозите? Засега не е ясно.
Най-простата би могла да бъде липсата на очакваните източници на такива вълни, т.е. на черните дупки, с които свързвахме досегашните надежди да наблюдаваме директно гравитационни вълни. Дали е така? Никой не знае… Но проблемът се изостри почти до крайност!
В близките няколко години се планира десетократно увеличаване на чувствителността на детекторите. Тогава очакваме да видим със сигурност гравитационни вълни от други източници. Може пък да се разбере и още нещо за съществуването на черните дупки…
Орехът излезе много костелив. Има ли начин да решим проблема? Как да видим невидимите по дефиниция хоризонти на черните дупки? А може би последната дума в гравитацията няма да е на Айнщайн? Това е заглавието на публикация на известни в гравитационната физика хора: Бернард Шутц – един от директорите на института по гравитационна физика „Алберт Айнщайн“ в Голм,  Джоан Центрела – NASA, Курт Кълтер – MIT и NASA, и  Скот Хю – MIT. В нея те задават много въпроси, между които: „Дали наистина централните обекти в галактиките са черни дупки на Кер?“, „Могат ли да се образуват голи сингулярности?“, „Къде в края на краищата ще се провали теорията на Айнщайн?“ и т.н.
Ако видим гравитационни вълни, бихме могли да получим ясен отговор на някои от тези въпроси. С тяхна помощ може да „видим“ невидимия по дефиниция хоризонт на събитията на черните дупки, разбира се, ако те наистина съществуват.
Как така???
Принципът е прост. Теоретичните изследвания (в това число и на автора) показаха, че в зависимост от наличието или отсъствието на хоризонт на събитията гравитационните вълни имат определени спектри!  Това е „отпечатъкът от пръст“, по който черните дупки могат безпогрешно да бъдат идентифицирани! Остава само малко да почакаме, докато видим гравитационните вълни от съмнителните тежки, компактни и тъмни обекти! А това се планира да стане до няколко години!
Така че – още малко търпение и повече работа! Чакат ни изключително интересни времена!
Естествено възниква и въпросът:  Ама как така? Може ли толкова много образовани и опитни хора да излъжат сами себе си, а заедно с това да подведат и останалите. Би ли могло да се окаже изведнъж, че  няма черни дупки?!?  Не е за вярване, нали?
Но да си припомним добре известната история на „откриването на Америка” от Христофор Колумб.

hristoforhristofor_boatЗапитвали ли сте се защо континентът не се казва „Христофория“, а Америка. Ами Колумб просто не е разбрал какво е открил, търсейки път за Индия! Като образован за времето си човек, той е искал да използва неевклидовата геометрия, т.е. това, че Земята е кръгла и че от Европа до Индия може да се стигне, пътувайки на запад, а не на изток!  Направил необходимите пресмятания, организирал експедицията си и открил наистина нещо, което приел погрешно заедно с останалите хора за Индия!
Един от резултатите на неговата експедиция е, че и до ден-днешен наричаме „индианци“ хора, които никога през живота си не са виждали Индия!
Истината е открита от скромния картограф Америко Веспучи след упорит многогодишен труд и две експедиции. Той пръв е разбрал, че не става дума за Индия, а за нещо МНОГО ПО-ГОЛЯМО – нов континент – АМЕРИКА, и даже два – Северна и Южна!!!

amerika

Дали тази историята няма да се повтори и с „черните дупки“ ?
По ирония на съдбата те също са родени от неевклидовата геометрия! А работата с нея е коварна и не влиза в ежедневните ни навици.
Ще видим…

40

Източник: nauka.bg