Теория струн и чёрные дыры

[Oleg]

Теория струн и чёрные дыры

Чёрная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые самим своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в её привычной форме...

Автор: Роман Георгиев | Раздел: | Дата: 01 февраля 2005 года
Чёрная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в её привычной форме... Что это такое? Да и существуют ли они? Как материя может обладать "бесконечной плотностью"?

Считается, что сверхмассивные чёрные дыры (чем бы они ни являлись) с их колоссальной гравитацией "держат" целые галактики, в некоторой степени предохраняя их от разлёта. Наша Галактика также содержит в центре чёрную дыру (если не наоборот - дыра "содержит" всю Галактику), при этом с ней связан весьма странный феномен - а именно, крайне низкая активность.
Чёрная дыра на диете

По данным Европейского космического агентства и профессора Московского института космических исследований, порядка 350 лет назад чёрная дыра в центре нашей Галактики активно исторгала из себя энергию, а сейчас находится в странной спячке: окружающий её газ излучает не сильнее, чем любая среднестатистическая звезда, такая как Солнце. В других галактиках, как правило, наблюдаются сверхъяркие "чёрные дыры" (точнее, сверхъярким является газ, пожираемый чёрной дырой, разогревающийся и ускоряющийся при сближении с нею).

Откуда взялась цифра "350 лет назад"? Ну, во-первых, сюда надо приплюсовать значение расстояния от Земли до центра Галактики (а это около 30 тысяч световых лет). Просто речь идёт об излучении, которое регистрируется на Земле.

Так вот, на расстоянии 350 световых лет от чёрной дыры, которую называют объектом Стрелец А*, располагается водородное облако Стрелец Б2 (Sagittarius B2). В настоящее время астрономы регистрируют чрезвычайно высокоэнергетическое рентгеновское излучение, исходящее из этого облака. Единственным разумным объяснением этого феномена учёные полагают высокоэнергетический выброс гамма-лучей из нашей чёрной дыры. Наблюдения, осуществлённые с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Integral, доказывают, что это предположение справедливо.

По всей вероятности, чёрная дыра Стрелец А* в течение 10 лет исторгала из себя потоки энергии - в количествах достаточных, чтобы сравниться по яркости с целыми галактиками. По мнению Михаила Ревнивцева из Московского института космических исследований РАН, каждую секунду чёрная дыра пожирала до 10 в 12 степени тонн газа и пыли. Почему это прекратилось, неизвестно. Астрономы полагают, что подобное может повториться в любой момент.
Война теорий

Общепринятая сейчас теория чёрных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после "выгорания" звезды, её останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остаётся сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии "бесконечной плотности". Сингулярность окружает так называемый "горизонт событий", гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри неё материя и энергия. Они "втягиваются" в чёрную дыру и навсегда остаются внутри.

Это-то "навсегда" и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик чёрных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что чёрные дыры медленно, но неизбежно истаивают. В соответствии с законами квантовой механики, пары "виртуальных" частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия чёрных дыр может передаваться "виртуальным" частицам у самого горизонта событий. В этом случае "виртуальные" частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме "излучения Хокинга". Таким образом, со временем чёрная дыра испаряется.

Однако такой взгляд приводит к "информационному парадоксу". Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в чёрную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура "излучения Хокинга" означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в прошлом году он изменил своё мнение - и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на чёрные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются "примерить" на чёрные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) популярную теорию струн. New Scientist пишет, что теория струн сейчас - это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В середине девяностых Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путём определения, как чёрная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трёх измерений. И эти структуры вели себя как раз как чёрные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри чёрных дыр, - просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии чёрной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали ещё в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн - это ещё не всё. В прошлом году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри чёрной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую - большую и очень гибкую - струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких "струнных" чёрных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs - "пуховыми шариками", или stringy stars - "струнными звёздами"). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами "горизонта событий" в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. "горизонт событий" на самом деле представляет собой "пенящуюся массу струн", а не жёстко очерченную границу.

И что чёрная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в чёрных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объёму до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру ещё предстоит проверить, как его модель подходит к крупным чёрным дырам, или понять, как чёрные дыры эволюционируют.

Ещё один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре чёрной дыры всё-таки существует, однако информация в неё просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация - путём квантовой телепортации - отпечатывается на излучении Хокинга.

Иногие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации.

В любом случае, всё это лишь теоретические выкладки, и ничего более.

Однако в Женеве уже строится Большой адронный коллайдер, самый мощный на Земле ускоритель частиц, который планируется ввести в действие уже в 2007 году. В этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией до 14 на 10 в 12 степени эВ, чего, по мнению учёных, будет достаточно для того, чтобы создавать несколько микроскопических чёрных дыр каждую секунду, если некоторые нынешние теоретические выкладки окажутся верными.

http://www.computerra.ru/xterra/37506/

[Oleg]

Астрономы открыли космическую струну

Результаты последних исследований, проведенных российскими и итальянскими астрономами, могут оказаться необычайно важными - возможно, им удалось открыть "космическую струну" - гигантскую складку пространства-времени.

В одном из ведущих астрономических журналов Европы Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в ближайшее время будет опубликована статья группы российских и итальянских астрономов под руководством профессора МГУ Михаила Сажина. В статье сообщается о возможном обнаружении уникального объекта - так называемой "космической струны".

Двойной портрет SLC-1



На рисунке представлены изофоты, то есть линии одинаковой яркости объекта SLC-1.

Видно, что они очень напоминают друг друга. Две компоненты - A и B - скорее всего, представляют собой два изображения одного и того же объекта.

Красная линия отмечает наиболее вероятное положение космической струны, благодаря которой, как в зеркале, появилось второе изображение далекой галактики.
Ученые из Государственного астрономического института им. Штернберга МГУ и обсерватории Неапольского университета с помощью одного из телескопов, расположенных в Чили, проводили обзор неба для выявления кандидатов в так называемые гравитационные линзы - двойные или кратные изображения далеких галактик и квазаров, которые появляются за счет наличия массивных тел на пути лучей света от галактики к земному наблюдателю. В соответствии с общей теорией относительности (ОТО) лучи искривляются, и за счет этого могут образоваться несколько изображений. Группа профессора Сажина зарегистрировала четыре таких образования - очень похожие по физическим характеристикам, близкие друг к другу пары объектов.

Кандидат CSL-1 привлек к себе особое внимание - на снимке были видны два близких, на расстоянии всего в две угловые секунды, изображения галактик, расстояния до которых в пределах ошибок измерений оказались равными. Кроме того, физические их характеристики и химический состав практически неотличимы. В таких случаях астроном может быть практически уверен, что в реальности имеет дело с одним объектом, два изображения которого сформированы как раз эффектом гравитационного линзирования.

Однако в случае с CSL-1 ситуация осложнялась тем, что линзирующий объект был не виден, а изображение было практически не искажено. Между тем обычные гравитационные линзы являются очень плохими "оптическими приборами". Воспользовавшись одной из широко используемых моделей и проведя необходимые вычисления, ученые не смогли воссоздать картину, которую они наблюдают в случае с CSL-1. Для объяснения явления возникли еще два предположения.

Первое состояло в том, что наблюдаемая пара галактик - это одно изображение одного объекта, которое, однако, пересечено массивной полосой межзвездной пыли. Такие ситуации встречаются, хотя соответствующие объекты выглядят несколько иначе. Для проверки гипотезы итальянцы попросили своих соотечественников, работающих на Канарских островах, получить дополнительное изображение объекта в тепловых лучах на телескопе имени Галилея. Дело в том, что пыль, поглощая свет звезд галактики, нагревается и начинает активно излучать в тепловом диапазоне, поэтому там, где в оптическом диапазоне ничего не видно, в тепловом видно яркое пятно. Ничего подобного астрономы не увидели, гипотезу, связанную с пылью, пришлось отбросить.

Вторая гипотеза предполагает, что массивный объект, который привел к образованию двух изображений одной галактики, является "космической струной". Подробные вычисления показали, что наличие в этом направлении "космической струны" способно объяснить наблюдаемую картину.

Существование "космических струн" было впервые предсказано британским физиком Томасом Кибблом в 1976 году, а их теория была развита советским астрофизиком Яковом Зельдовичем к 1981 году. Согласно современным взглядам на возникновение Вселенной, около 13 млрд лет назад, когда началось ее расширение, все ныне существующие по отдельности фундаментальные взаимодействия - гравитационное, ядерное сильное, ядерное слабое и электромагнитное - описывались единым образом. Через ничтожные доли секунд после расширения началось отделение этих сил друг от друга, а частицы и поля начали приобретать индивидуальные характеристики. В течение первой сотни секунд появились основные атомные ядра, сами атомы смогли образоваться только через тысячи лет.

Однако неизбежные исходные неоднородности могли породить в ходе расширения вытянутые структуры гигантской длины - вплоть до геометрических масштабов Вселенной, однако ничтожной толщины - в миллиарды миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Это своего рода длинные "складки" пространства-времени. Плотность их столь велика, что участок такой струны длиной около километра обладает массой, сходной с земной, поэтому им и удается так искривлять пространство. Однако пока никакие наблюдательные свидетельства их существования зафиксированы не были.

Если открытие подтвердится, для чего необходимы наблюдения с большим пространственным разрешением, например на космическом телескопе имени Хаббла, это открытие будет иметь чрезвычайно большое значение для теории фундаментальных физических взаимодействий.

"Космическая струна" является одновременно и астрономическим, и микроскопическим объектом, поэтому свойства ее, которые могут быть получены из астрономических наблюдений, автоматически накладывают некоторые ограничения на теории, описывающие микромир.

[Istanaro]

Достойный текст о космических струнах: http://physics03.narod.ru/Interes/Doclad/strun.htm.