Содержание
Астрофизики поняли, как отличить черную дыру от кротовой норы
Космос
15 ноября 2022
Далее
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Некоторые черные дыры могут быть кротовыми норами, считают исследователи. Компьютерное моделирование показало, чем отличаются эти космические объекты.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи из Софийского университета в Болгарии провели компьютерное моделирование света, проходящего через кротовую нору.
Результаты показывают, что есть небольшое отличие в поляризации между ними и черными дырами.
В космической фантастике кротовые норы представляют в виде туннеля, по которому путешественники могут перемещаться между двумя точками в пространстве-времени. Общая теория относительности допускает существование таких объектов, правда по ним вряд ли может отправиться большой объект. Проходимые кротовые норы должны быть заполнены экзотической материей с отрицательной плотностью энергии, создающей сильное гравитационное отталкивание и препятствующей схлопыванию норы.
Хотя существование кротовых нор было предсказано более века назад, до сих пор ученым не удавалось наблюдать ни один из таких объектов. В своей работе астрофизики изучили гипотетическую статическую проходимую кротовую нору, которая не развивается и не вращается. Они смоделировали свет, излучаемый диском, окружающим эту червоточину, и проанализировали его поляризацию. Кроме того, исследователи изучили, как будет поляризован свет, который рассеивает такой объект.
Иллюстрация кротовой норы. Изображение: Panzi, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Астрофизики сравнили прямое изображение кротовой норы с моделью поляризации света, излучаемого диском, окружающим статичную черную дыру. Они обнаружили, что эти изображения почти идентичны, а интенсивность и направление поляризации различаются менее чем на 4%.
Однако косвенные изображения (созданные светом, который объекты рассеивают, а не излучают) были разными. Картины поляризации на них были похожи, но наблюдаемые радиусы объектов значительно отличались. Интенсивность поляризации кротовых дыр также была на порядок больше на непрямых изображениях, чем у черных дыр.
Исследователи полагают, что ряд объектов, которые считаются черными дырами, может представлять такие кротовые норы. Зная внешние признаки, можно разработать масштабное исследование, которое поможет впервые подтвердить существование туннелей в пространстве-времени, добавляют они.
Читать далее:
Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились
На Земле теперь живет 8 млрд человек: грозит ли планете перенаселение
Новая теория НАСА: мы не встретились с внеземными цивилизациями, так как они все погибли
На обложке: художественная иллюстрация путешествия сквозь кротовую нору.
Изображение: NASA
Читать ещё
Scientific American (США): новое исследование обосновало возможность существования кротовых нор в пространстве-времени
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ
Читать inosmi.ru в
Возможно, существуют вполне реалистичные способы создания «космических мостов». Их предсказала общая теория относительности. Согласно данным нового исследования, так называемые «кротовые норы» абсолютно реальны и они могут находиться даже в нашей галактике.
Брендан Фостер (Brendan Z. Foster)
На ранних этапах исследований кротовых нор, еще до того, как они получили свое название, физики еще не знали, существуют ли эти странные объекты в реальном мире. Они вполне могли оказаться всего лишь странным изгибом в тех сложных математических расчетах, которые в те времена использовала все еще юная общая теория относительности, описывающая гравитацию.
Однако со временем накопились доказательства того, что кротовые норы абсолютно реальны и что они даже могут существовать в нашей галактике.
Сегодня на кону оказалось еще одно странное предсказание от общей теории относительности — кротовые норы, эти фантастические туннели, ведущие на другой край Вселенной. Реальны ли они? И, если они есть в нашем космосе, могут ли люди надеяться когда-нибудь использовать их для перемещения во времени и пространстве? После того как в 1935 году ученые предсказали их существование, наука как будто давала отрицательный ответ на этот вопрос: ученые считали, что кротовые норы вряд ли могут быть элементом реальности. Однако новое исследование дает нам возможность предположить, как кротовые норы могут возникнуть, — и этот процесс может оказаться гораздо более простым, чем физики долгое время считали.
Изначально концепция кротовых нор была выдвинута физиками Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном. Они изучали странные уравнения, которые, как мы сейчас знаем, описывают тот участок космоса, который невозможно миновать и который мы называем черной дырой.
Они задавались вопросом, что на самом деле могут представлять собой черные дыры. Эйнштейн и Розен обнаружили, что как минимум теоретически поверхность черной дыры может работать как мост, соединяющий одну часть космоса с другой. Переход между ними можно сравнить с тем, как если бы вы проскользнули сквозь сливное отверстие вашей ванной, но, вместо того чтобы застрять в трубах, попали бы в другую ванну, абсолютно такую же, как первая.
В дальнейшем ученые развивали эту идею, однако они столкнулись с двумя неустранимыми проблемами, которые препятствовали возникновению легко обнаруживаемых и доступных для использования людьми кротовых нор: хрупкость и очень маленькие размеры. Во-первых, как выясняется, согласно общей теории относительности, гравитационное притяжение любого обычного вещества, проходящего сквозь кротовую нору, заставило бы горловину в самом узком месте схлопнуться. Чтобы сделать кротовую нору стабильной, требуется какой-то дополнительный необычный ингредиент, который позволит держать кротовую нору открытой, — ученые называют его «экзотической» материей.
Во-вторых, те процессы создания кротовых нор, которые ученые рассматривали, опираются на действие таких сил, которые мешают макроскопическому «путешественнику» попасть в кротовую нору. Проблема заключается в том, что процесс возникновения кротовой норы и экзотическая материя, которая позволяет ее стабилизировать, не могут слишком далеко отклоняться от привычных законов физики. Термин «экзотическая» вовсе не означает, что физики могут придумывать все, что угодно, чтобы их расчеты на бумаге сходились. Но пока привычная физика может дать нам только микроскопические кротовые норы. Более крупная кротовая нора, очевидно, требует таких процессов и такого типа материи, которые одновременно будут необычными, и правдоподобными. «В этом и заключается тонкость», — сказала Брианна Градо-Уайт (Brianna Grado-White), физик из Брандейского университета.
Прорыв произошел в 2017 году, когда физики Пинь Гао (Ping Gao) и Дэниэл Джэфферис (Daniel Jafferis) из Гарвардского университета, а также Арон Уолл (Aron Wall) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) Принстона нашли способ удерживать кротовые норы открытыми посредством «квантовой запутанности» — своеобразного протяженного соединения между квантовыми объектами.
Особая природа запутанности позволяет ей обеспечивать тот экзотический ингредиент, который необходим для поддержания стабильности кротовой норы. И, поскольку запутанность — это стандартный элемент квантовой физики, ее относительно несложно создать. «Это по-настоящему красивая теория», — сказал Набиль Икбал (Nabil Iqbal), физик из Даремского университета в Англии, который не принимал участия в этом исследовании. Хотя этот метод помогает стабилизировать кротовые норы, он позволяет создавать лишь микроскопические туннели. Тем не менее, этот новый подход дал начало целому направлению в исследованиях, в рамках которых трюк с запутанностью применяется к самым разным типам материи в надежде получить более крупные и устойчивые кротовые норы.
Одна из гипотез нашла отражение в предварительной публикации исследования Икбала и его коллеги из Даремского университета Саймона Росса (Simon Ross). Эти двое ученых попытались проверить, можно ли с помощью метода Гао-Джэффериса-Уолла создать более крупную кротовую нору.
«Мы подумали, что будет интересно, с точки зрения научной фантастики, выйти за пределы допустимого и проверить, может ли подобное существовать», — объяснил Икбал. Их исследование показало, как особые возмущения внутри магнитных полей, окружающих черную дыру, могут в теории генерировать стабильные кротовые норы. К сожалению, в результате возникают только микроскопические кротовые норы, и, по словам Икбала, в реальности такая ситуация вряд ли возможна.
Работа Икбала и Росса делает акцент на деликатном аспекте формирования кротовой норы — на том, чтобы найти такой реалистичный процесс, который не требует никаких дополнительных компонентов, выходящих за рамки знакомой физики. Физик Хуан Мальдасена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований, который в 2013 году выдвинул гипотезу о связях между кротовыми нормами и запутанностью, и его коллега Алексей Милехин (Alexey Milekhin) из Принстонского университета нашли метод, с помощью которого можно создавать большие кротовые норы.
Особенность их подхода в том, что та загадочная темная материя, которая наполняет нашу вселенную, должна вести себя особым образом, — и, возможно, мы живем во вселенной, в которой подобное невозможно. «У нас ограниченный набор инструментов, — сказала Градо-Уайт. — Чтобы нечто получилось таким, каким мы хотим его видеть, мы можем использовать только этот набор инструментов».
Бум в области исследования кротовых нор продолжается. Пока машины, позволяющие по требованию создавать кротовые норы размером с человека, кажутся нереалистичными, но результаты исследований демонстрируют определенный прогресс. «Мы узнаем, что на самом деле мы можем создавать кротовые норы, способные оставаться открытыми, при помощи простых квантовых эффектов, — сказала Градо-Уайт. — Очень долгое время мы считали, что подобное вообще невозможно создать. Теперь же выясняется, что мы на это способны».
Что такое червоточины? Астрофизик объясняет эти короткие пути через пространство-время
Любопытные дети — серия для детей всех возрастов.
Если у вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта, отправьте его на адрес любопытного[email protected].
Что такое червоточины и существуют ли они? – Чинглемби Д., 12 лет, Силчар, Ассам, Индия
Представьте два города на двух противоположных сторонах горы. Людям из этих городов, вероятно, пришлось бы объезжать всю гору, чтобы навестить друг друга. Но если бы они хотели добраться туда быстрее, они могли бы прорыть туннель прямо через гору, чтобы сократить путь. Это идея червоточины.
Червоточина похожа на туннель между двумя удаленными точками нашей вселенной, который сокращает время в пути от одной точки до другой. Вместо того, чтобы путешествовать в течение многих миллионов лет из одной галактики в другую, при правильных условиях теоретически можно использовать червоточину, чтобы сократить время путешествия до часов или минут.
Поскольку червоточины представляют собой короткие пути сквозь пространство-время, они могут даже действовать как машины времени.
Вы можете выйти из одного конца червоточины раньше, чем вошли в другой ее конец.
Хотя у ученых нет доказательств того, что червоточины на самом деле существуют в нашем мире, они являются хорошими инструментами, помогающими астрофизикам вроде меня думать о пространстве и времени. Они также могут ответить на извечные вопросы о том, как выглядит Вселенная.
Правда или вымысел?
Ученые называют точки, в которых вы входите и выходите из червоточины, «устьями», а сам туннель — «горлом».
Victor Habbick Visions / Science Photo Library через Getty Images
Из-за этих интересных особенностей многие писатели-фантасты используют червоточины в романах и фильмах. Однако ученые были так же увлечены идеей червоточин, как и писатели.
Хотя исследователи никогда не находили червоточины в нашей вселенной, ученые часто видят червоточины, описанные в решениях важных физических уравнений. Наиболее заметно то, что решения уравнений, лежащих в основе эйнштейновской теории пространства-времени и общей теории относительности, включают червоточины.
Эта теория описывает форму Вселенной и то, как в ней движутся звезды, планеты и другие объекты. Поскольку теория Эйнштейна проверялась много-много раз и каждый раз оказывалась верной, некоторые ученые предполагают, что где-то во Вселенной существуют червоточины.
Но другие ученые считают, что червоточины не могут существовать, потому что они слишком нестабильны.
Постоянное притяжение влияет на каждый объект во Вселенной, включая Землю. Так что гравитация тоже будет влиять на червоточины. Ученые, которые скептически относятся к червоточинам, считают, что через короткое время середина червоточины разрушится под действием собственной гравитации, если не будет силы, выталкивающей наружу изнутри червоточины, чтобы противодействовать этой силе. Наиболее вероятный способ сделать это — использовать так называемую «отрицательную энергию», которая противостоит гравитации и стабилизирует червоточину.
Но, насколько известно ученым, отрицательная энергия может создаваться только в количествах, слишком малых для противодействия собственной гравитации червоточины.
Вполне возможно, что Большой взрыв создал крошечные червоточины с небольшим количеством отрицательной энергии еще в начале Вселенной, и со временем эти червоточины расширились по мере расширения Вселенной.
В этом коротком видео от Fusion профессор Калифорнийского технологического института резюмирует, что такое червоточины, и вопрос стабильности, который ставит ученых в тупик.
Прямо как черные дыры?
Несмотря на то, что червоточины являются интересными объектами для размышлений, они до сих пор не приняты в традиционной науке. Но это не значит, что они не реальны — черные дыры, которых, как мы, астрофизики, знаем, предостаточно в нашей Вселенной, не были приняты, когда ученые впервые предположили, что они существуют, еще в 1910-х годах.
Эйнштейн впервые сформулировал свои знаменитые уравнения поля в 1915 году, а немецкий ученый Карл Шварцшильд всего через год нашел способ математически описать черные дыры. Однако это описание было настолько своеобразным, что ведущие ученые той эпохи отказывались верить в то, что черные дыры действительно могут существовать в природе.
Людям потребовалось 50 лет, чтобы начать серьезно относиться к черным дырам — термин «черная дыра» даже не был придуман до 19 лет.67.
То же самое может случиться и с червоточинами. Ученым может потребоваться некоторое время, чтобы прийти к единому мнению о том, могут ли они существовать. Но если они найдут веские доказательства, указывающие на существование червоточин — что они могут сделать, наблюдая за странными движениями звездных орбит, — открытие изменит то, как ученые видят и понимают Вселенную.
Привет, любознательные малыши! У вас есть вопрос, на который вы хотели бы получить ответ от эксперта? Попросите взрослого отправить ваш вопрос по адресу [email protected]. Пожалуйста, сообщите нам ваше имя, возраст и город, в котором вы живете.
А поскольку любознательность не имеет возрастных ограничений, взрослые, дайте нам знать, что вас интересует. Мы не сможем ответить на все вопросы, но постараемся.
червоточин, возможно, уже были обнаружены, говорят физики .
Однако, к счастью, если новая модель, предложенная небольшой группой физиков из Софийского университета в Болгарии, окажется точной, все еще может быть способ отличить их друг от друга.
Поигравшись с общей теорией относительности Эйнштейна достаточно долго, можно показать, как пространственно-временной фон Вселенной может образовывать не только глубокие гравитационные ямы, откуда ничто не ускользает, но и формировать невероятные горные пики, на которые невозможно взобраться.
В отличие от своих темных собратьев, эти светящиеся холмы будут сторониться всего, что приближается, потенциально изрыгая потоки частиц и радиации, у которых нет надежды когда-либо повернуть вспять.
Если оставить в стороне явную возможность того, что Большой Взрыв выглядит точно так же, как одна из этих «белых дыр», ничего подобного никогда не наблюдалось. Тем не менее, они остаются интересной концепцией для исследования границ одной из величайших теорий в физике.
В 1930-х годах коллега Эйнштейна по имени Натан Розен показал, что нельзя сказать, что глубоко искривленное пространство-время черной дыры не может соединиться с крутыми пиками белой дыры, образуя своего рода мост.
В этом уголке физики наши повседневные представления о расстоянии и времени выходят за рамки окна, а это означает, что такая теоретическая связь может пересекать огромные участки космоса.
При определенных обстоятельствах материя может даже пройти по этой космической трубе и выйти из другого конца с более или менее целой информацией.
Итак, чтобы определить, как эта черная дыра с анусом может выглядеть для таких обсерваторий, как Event Horizon Telescope, команда Софийского университета разработала упрощенную модель «горла» червоточины в виде намагниченного кольца жидкости и сделала различные предположения о том, как материя будет кружить вокруг него до того, как будет проглочена.
Частицы, попавшие в этот яростный водоворот, будут создавать мощные электромагнитные поля, которые будут катиться и щелкать по предсказуемой схеме, поляризуя любой свет, излучаемый нагретым материалом, с четкой сигнатурой. Именно отслеживание поляризованных радиоволн дало нам первые потрясающие изображения M87* в 2019 году.
, и Стрелец A* ранее в этом году.
Оказывается, дымящиеся горячие губы типичной червоточины трудно отличить от поляризованного света, излучаемого кружащимся диском хаоса, окружающим черную дыру.
По такой логике M87* вполне может быть червоточиной. На самом деле червоточины могут скрываться повсюду в конце черных дыр, и у нас не будет простого способа это узнать.
Это не значит, что вообще невозможно узнать.
Если нам повезет и мы сошьем изображение потенциальной червоточины, увиденной непрямым образом через приличную гравитационную линзу, тонкие свойства, отличающие червоточины от черных дыр, могут стать очевидными.
Это потребовало бы удобно расположенной массы между нами и червоточиной, чтобы исказить ее свет в достаточной степени, чтобы увеличить небольшие различия, конечно, но это, по крайней мере, дало бы нам средство уверенно определять, какие темные участки пустоты имеют задний выход .
Есть еще одно средство, которое тоже требует удачи.