Czarne dziury mogą nie istnieć ale fuzzballe mogą

Czarne dziury to zdecydowanie najbardziej tajemnicze obiekty we wszechświecie. Są to obiekty w kosmosie, w których cała nasza wiedza z zakresu fizyki całkowicie się załamuje.

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

Nowe badania sugerują, że tak może być i że dzięki nadchodzącym obserwacjom możemy je faktycznie zobaczyć.

Problem czarnych dziur

Czarne dziury pojawiają się w ogólnej teorii względności Einsteina i zgodnie z wszelkimi prawami, po prostu nie powinny istnieć. W tej teorii, jeśli grudka materii rozpadnie się do niewielkiej objętości, grawitacja może stać się przytłaczająco silna. Ta szalona kompresja grawitacyjna może konkurować z innymi czterema podstawowymi siłami natury – jak silna siła jądrowa, która utrzymuje razem tę bryłę materii. Po osiągnięciu pewnego krytycznego progu grudka materii po prostu ściska się i ściska, ściskając w nieskończenie małym punkcie.

Ten nieskończenie mały punkt jest znany jako osobliwość i jest otoczony powierzchnią zwaną horyzontem zdarzeń – miejscem, w którym siła grawitacji przewyższa prędkość światła.

Oczywiście nie ma czegoś takiego jak nieskończenie mały punkt, więc ten obraz wydaje się błędny. Ale w połowie XX wieku astronomowie zaczęli znajdować obiekty, które wyglądały jak czarne dziury, działały jak czarne dziury i prawdopodobnie też pachniały jak czarne dziury. Pomimo swojej niemożliwości, były tam, unosząc się wokół wszechświata.

I to nie jedyny problem. W 1976 roku fizyk Stephen Hawking zdał sobie sprawę, że czarne dziury nie są całkowicie czarne. Ze względu na dziwaczność mechaniki kwantowej czarne dziury powoli wyparowują. Doprowadziło to do paradoksu: wszystkie informacje które wpadają do czarnej dziury, zostają zamknięte w środku. Ale promieniowanie Hawkinga (Hawking radiation) nie przenosi tych informacji (przynajmniej, o ile rozumiemy). Więc kiedy czarna dziura w końcu wyparuje, co stanie się z tymi wszystkimi informacjami?

Ciągłe rozwiązanie

Przez dziesięciolecia fizycy teoretyczni ciężko pracowali, aby znaleźć coś – cokolwiek – aby wyjaśnić czarne dziury. Coś, co wyjaśnia paradoks informacji i coś, co zastąpi osobliwość działającą matematyką.

Wśród tych teoretyków są ci, którzy pracują nad teorią strun, która jest modelem wszechświata, który zastępuje wszystkie cząsteczki i siły, które kochasz, subatomowymi, wibrującymi strunami. W teorii strun te struny są podstawowymi składnikami materii we wszechświecie, ale nie możemy ich postrzegać jako struny, ponieważ są tak małe. Aha, i żeby matematyka teorii strun działała, muszą istnieć dodatkowe wymiary – wszystkie drobne, zwinięte w skali subatomowej, więc ich też nie widać.

Teoria strun twierdzi, że jest teorią wszystkiego, zdolną do wyjaśnienia każdego rodzaju cząstki, każdego rodzaju siły i w zasadzie wszystkiego we wszechświecie (a dokładniej całego wszechświata).

Zatem 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 czarnych dziur. Nazywają się fuzzballami.

Rozplątywanie przędzy

W teorii strun czarne dziury nie są ani czarnymi, ani dziurami. Zamiast tego najlepszą metaforą wyjaśniającą, 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 coś, co nazywamy czarną dziurą. Wewnątrz gwiazdy neutronowej materia jest skompresowana do możliwie największej gęstości. Neutrony są jednym z podstawowych składników atomów, ale zwykle grają razem z innymi cząstkami, takimi jak protony i elektrony. Ale w gwieździe neutronowej tego rodzaju koleżeństwo atomowe rozpada się i rozpuszcza, pozostawiając po sobie tylko neutrony ściśnięte razem tak ciasno, jak to możliwe.

W przypadku fuzzballów podstawowe struny przestają ze sobą współpracować i po prostu się gromadzą, stając się dużą, kulą strun – Fuzzball.

Fuzzballe nie są w pełni dopracowane, nawet w teorii, nikt nigdy nie był w stanie wymyślić pełnego matematycznego rozwiązania – a więc fuzzball nie są tylko rozmyte w fizycznej rzeczywistości, ale także rozmyte w matematycznej możliwości.

Mimo to, być może uda nam się znaleźć fuzzball w nadchodzących badaniach, jak opisano w artykule przeglądowym opublikowanym 27 października w czasopiśmie preprint arXiv. Właśnie zaczynamy przechodzić dalej, udowadniając istnienie czarnych dziur i zbliżamy się do badanie szczegółów ich zachowania, a naszym najlepszym sposobem na to jest użycie fal grawitacyjnych.

Kiedy czarne dziury zderzają się i łączą, uwalniają tsunami fal grawitacyjnych, które przeszywają kosmos, ostatecznie docierając do naszych detektorów na Ziemi. Dla wszystkich dziesiątek połączeń czarnych dziur, których do tej pory byliśmy świadkami, sygnatura fali grawitacyjnej jest dokładnie tym, co przewiduje ogólna teoria względności.

Jednak przyszłe instrumenty, takie jak zaawansowane obserwatorium laserowego interferometru fal grawitacyjnych (LIGO) i interferometryczna antena kosmiczna z interferometrem laserowym (proponowany kosmiczny detektor fal grawitacyjnych), mogą mieć czułość pozwalającą na rozróżnienie między normalnymi czarnymi dziurami a nitkowatymi kulkami. Mówię „może”, ponieważ różne modele fuzzballu przewidują różne warianty zachowań standardowych czarnych dziur.

Gdybyśmy byli w stanie znaleźć dowody na istnienie fuzzballi, nie odpowiedziałoby to tylko na pytanie, czym naprawdę istnieją czarne dziury; ujawniłoby jedną z najgłębszych podstaw natury.

Źródło: Paul Sutter / livescience

Zdjęcie: Shutterstock

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x