Czarne dziury mogą nie istnieć, ale fuzzballs może, dzika teoria sugeruje

Czarne dziury są, zdecydowanie, najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie. Są to obiekty w kosmosie, w których cała nasza wiedza o fizyce całkowicie się załamuje.

A jednak, pomimo ich pozornej niemożliwości, istnieją. Ale co jeśli te grawitacyjne potwory nie są wcale czarnymi dziurami, ale raczej kosmicznym odpowiednikiem rozmytych, wibrujących kulek ze sznurka?

Nowe badania sugerują, że tak właśnie może być, a dzięki nadchodzącym obserwacjom możemy faktycznie być w stanie je zobaczyć.

Powiązane: Największe odkrycia dotyczące czarnych dziur

Problem czarnych dziur

Czarne dziury pojawiają się w ogólnej teorii względności Einsteina i według wszelkich praw po prostu nie powinny istnieć. W tej teorii, jeśli skupisko materii skurczy się do wystarczająco małej objętości, wtedy grawitacja może stać się przytłaczająco silna. Ta szalona kompresja grawitacyjna może konkurować z każdą z pozostałych czterech podstawowych sił natury – jak na przykład z silną siłą jądrową, która trzyma tę kępę materii razem. Gdy zostanie osiągnięty pewien próg krytyczny, kępa materii po prostu ściska się i ściska, kompresując się do nieskończenie maleńkiego punktu.

Ten nieskończenie maleńki punkt znany jest jako osobliwość i jest otoczony powierzchnią znaną jako horyzont zdarzeń – miejsce, w którym wewnętrzne przyciąganie grawitacyjne przekracza prędkość światła.

Oczywiście, nie ma czegoś takiego jak nieskończenie maleńki punkt, więc ten obraz wydaje się błędny. Jednak w połowie XX wieku astronomowie zaczęli znajdować obiekty, które wyglądały jak czarne dziury, zachowywały się jak czarne dziury i prawdopodobnie również pachniały jak czarne dziury. Pomimo ich niemożliwości, były tam, unosząc się we wszechświecie.

I to nie jest jedyny problem. W 1976 r. fizyk Stephen Hawking zdał sobie sprawę, „e czarne dziury nie są całkowicie czarne. Z powodu dziwactw mechaniki kwantowej, czarne dziury powoli wyparowują. Doprowadziło to do paradoksu: cała informacja, która wpada do czarnej dziury zostaje w niej zamknięta. Ale promieniowanie Hawkinga nie przenosi tej informacji (przynajmniej na tyle, na ile rozumiemy). Więc kiedy czarna dziura w końcu wyparuje, co stanie się z całą tą informacją?

Powiązane: Najbardziej odjechane pomysły Stephena Hawkinga na temat czarnych dziur

Sznurkowe rozwiązanie

Przez dekady fizycy teoretyczni ciężko pracowali, aby znaleźć coś – cokolwiek – do wyjaśnienia czarnych dziur. Coś, co wyjaśni paradoks informacyjny i coś, co zastąpi osobliwość matematyką, która działa.

Pośród tych teoretyków są tacy, którzy pracują nad teorią strun, która jest modelem wszechświata, który zastępuje wszystkie cząstki i siły, które kochasz subatomowymi, wibrującymi strunami. W teorii strun, struny te są podstawowymi składnikami materii we wszechświecie, ale nie możemy ich zobaczyć jako strun, ponieważ są tak małe. Aha, i aby matematyka teorii strun działała, muszą istnieć dodatkowe wymiary – wszystkie malutkie i zwinięte do skali subatomowej, więc ich też nie widzimy.

Teoria strun twierdzi, że jest teorią wszystkiego, zdolną wyjaśnić każdy rodzaj cząstki, każdy rodzaj siły i w zasadzie wszystko we wszechświecie (oraz, dla kompletności, cały wszechświat sam w sobie).

Tak więc teoria strun powinna być w stanie wyjaśnić to, co niewytłumaczalne: powinna być w stanie zastąpić czarne dziury czymś mniej przerażającym.

I rzeczywiście, teoretycy strun zaproponowali mniej przerażający zamiennik dla czarnych dziur. Nazywają je fuzzballs.

Unraveling the yarn

W teorii strun czarne dziury nie są ani czarne, ani dziurowe. Zamiast tego, najlepszą metaforą do wyjaśnienia czym jest fuzzball jest spojrzenie na inny zwarty i dziwny obiekt we wszechświecie: gwiazdy neutronowe.

Gwiazdy neutronowe są tym, co dzieje się, gdy obiekt nie ma wystarczającej grawitacji, aby skompresować się w to, co nazywamy czarną dziurą. Wewnątrz gwiazdy neutronowej materia jest ściskana do stanu najwyższej możliwej gęstości. Neutrony są jednym z podstawowych składników atomów, ale zazwyczaj występują razem z innymi cząstkami, takimi jak protony i elektrony. Ale w gwieździe neutronowej ten rodzaj atomowego koleżeństwa rozpada się i rozpuszcza, pozostawiając za sobą tylko neutrony stłoczone razem tak ciasno, jak to tylko możliwe.

W przypadku fuzzballs, fundamentalne struny przestają pracować razem i po prostu tłoczą się razem, stając się dużą, cóż, kulą strun. A fuzzball.

Fuzzballs nie są w pełni rozwinięte, nawet w teorii, ponieważ tak fajnie jak brzmi teoria strun, nikt nigdy nie był w stanie wymyślić kompletnego rozwiązania matematycznego dla niej – a więc fuzzballs są nie tylko rozmyte w fizycznej rzeczywistości, ale również rozmyte w matematycznej możliwości.

Jeszcze, możemy być w stanie znaleźć fuzzballs z nadchodzących badań, jak opisano w artykule przeglądowym opublikowanym 27 października w czasopiśmie preprint arXiv. Właśnie teraz zaczynamy wychodzić poza udowadnianie istnienia czarnych dziur i w kierunku

badania szczegółów ich zachowania, a naszym najlepszym sposobem na to są fale grawitacyjne.

Gdy czarne dziury zderzają się i łączą, uwalniają tsunami fal grawitacyjnych, które rozchodzą się po kosmosie, docierając w końcu do naszych detektorów na Ziemi. Dla wszystkich dziesiątek fuzji czarnych dziur, których byliśmy świadkami do tej pory, sygnatura fal grawitacyjnych jest dokładnie tym, co ogólna teoria względności przewiduje dla czarnych dziur.

Ale przyszłe instrumenty, takie jak zaawansowane Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) i Laserowa Interferometryczna Antena Kosmiczna (proponowany kosmiczny detektor fal grawitacyjnych), mogą mieć czułość pozwalającą odróżnić normalne czarne dziury od żylastych kul. Mówię „może”, ponieważ różne modele fuzzball przewidują różne wariacje od standardowego zachowania czarnej dziury.

Jeśli będziemy w stanie znaleźć dowody na istnienie fuzzballs, to nie tylko odpowiemy na pytanie czym naprawdę są czarne dziury; ujawni to niektóre z najgłębszych podstaw natury.

Originally published on Live Science.

.