Черните дупки се радват на небивал интерес благодарение на изобилието от научнопопулярни филми, книги, а и събития, които представят извънредно любопитна информация за тях. Те се превърнаха, от страховит и ужасяващ феномен, в нещо, което е от съществено значение за баланса, хармонията и въобще за съществуването на Вселената. Някои позабравени теории за тях са на път дори да разгадаят една от най-големите мистерии сред астрономи и космолози, а именно какво е тъмната материя. Водейки се от факта, че всичко ново е добре забравено старо, то нищо чудно черните дупки да са ключа към тази загадка.
Какво е черна дупка?
Дълго време тези феномени бяха представяни като чудовища, поглъщащи всичко, а това, което попадне в тях, е безвъзвратно изгубено. През последните години много проучвания преобърнаха представите ни за тези небесни тела. Голямо значение за напредъка има Стивън Хокинг*, който е посветил голяма част от живота и труда си в търсене на отговор какво представляват те.
В крайна сметка, една черна дупка е тяло с ужасно силна гравитация, което е способно да 'поглъща' огромно количество материя. Колкото повече поглъща, толкова по - голяма и тежка става - гравитационното ѝ привличане нараства. Границата, образувана преди попадането в нея, се нарича хоризонт на събитията. Това, което премине този хоризонт, няма да има енергията да преодолее това привличане на дупката. Дори светлината не може да се измъкне и поради тази причина тези небесни тела са 'невидими' - черни (от там идва и името им). Нови проучвания доказаха, че въпреки тяхната гравитационна сила те все пак успяват да излъчват радиация, но повече за това можете да прочетете тук.
Една черна дупка се образува, когато звезда колапсира - самоунищожи се. Обикновено звездите са големи масивни тела с огромно количество материя. В ядрото си те най - често имат хелий, който ползват за гориво, чрез което с помощта на химичен синтез успяват да отделят по малко от тази струпана материя под формата на топлина и радиация. Когато горивото им свърши, те не са в състояние да излъчват и преработват тази материя и под нейния натиск се свиват до много малко тяло с огромна маса и плътност. Това увеличава неимоверно гравитацията около него и така след колапса се ражда това чудовище.
Ролята на инфлацията!
Теорията за инфлацията е тясно свързана с Големия взрив и факта, че вселената непрекъснато се разширява. Тя гласи, че в началото е имало свръх голямо и концентрирано количество материя в много малко сферично небесно тяло. Огромната гравитация е създала голямата плътност на тялото с еднакво разпространена гладкост навсякъде.
Квантовите флуктуации - създаване на елементарна частица и нейна античастица - променят гладкостта му. Представете си следното: кълбото е напълно гладко. Случайно на малки части от повърхността му се раждат подобни двойки частици. Те, както се появяват, толкова бързо и се самоунищожават (когато частица и нейна античастица се сблъскват, се самоунищожават, отделяйки енергия - анихилират). Отделената енергия създава леки смущения в гладкостта - ние знаем от уравнението на Айнщайн*, че енергията и масата са реципрочни понятия.
Тези леки неравности са причината след инфлацията (Големия взрив и последвалото експотенциално разширение на Вселената) да има струпвания на материя.
Ако всичко беше напълно гладко, то материята никога нямаше да се струпва, а щеше да се отдалечава равномерно след взрива. И тук идва сюблимният момент - може ли едно такова ранно струпване на материя да доведе до образуването на, така наречените, ранни черни дупки (Primordial Black Holes*)?
Ранните черни дупки
Тази идея е представена от Хокинг и Бернард Кар* през 70 - те години на миналия век. Заради все още непознатата сфера на черните дупки, тя не предизвиква особен интерес. Новите успехи и последвалото развитие в областта на експерименталната физика я връщат на картата, а възможността за засичане на гравитационни вълни със свръхчувствителни локатори (LIGO*), дават предпоставка тази идея да бъде доразвита.
Така се появяват два проблема, с които тя трябва да се справи:
Възможно ли е черна дупка да се роди без звезда да колапсира - все пак, в ранните моменти във Вселената не е имало такива тела.
Ако има толкова много ранни черни дупки, то те няма ли често да колапсират помежду си, привличайки се една друга заради гравитацията си. Ако това е факт, то щяхме все още да засичаме много по - редовни смущения в гравитационните вълни след подобен сблъсък или по - скоро сливане. Такива предизвикателства задава Али-Хаймуд* пред застъпниците на теорията за ранните дупки.
С преодоляването им се захваща Йедамжик*. Подпомогнат от проучвания, които показват, че взаймодействието на елементарни частици като кварки и глуони е с потенциал да създаде подобни феномени, в два последователни труда той намира решение на проблемите.
Първият гласи, че, когато две черни дупки започнат да си взаимодействат, е много вероятно да се намеси трета, която да повлияе на техните траектории и да предотврати сблъскването им. Тази теория много прилича на проблема на Нютон за трите тела*, който гласи, че когато две тела си влияят гравитационно на движението, то ние сме способни да предвидим как ще се движат с течение на времето, стига да знаем всички параметри предварително. Когато обаче към тази двойна система се намеси трето тяло, то параметрите стават твърде много, а уравненията само теоретично решими. Практически става невъзможно, а нещата се усложняват дори повече с добавянето на още тела. Това е, така нареченият, N - body problem и пример за една едновременно хаотична, но детерминистична система. Хаотична, защото е непредвидима, но детерминистична, защото при еднакви начални условия, винаги ще получим един и същи край (макар и да не знаем на старта какъв ще е).
Вторият му труд цели да покаже, че черни дупки не само могат да се образуват в тези начални състояния на вселената, но дори, че те ще имат различни размери в зависимост кога точно са се образували.
Комбинирано двете идеи гласят, че е възможно да видим струпване на черни дупки с различни размери на групи (клъстери), които се движат в такива орбити, че да не колапсират, като в центъра седи огромна дупка, а около нея гравитират по - малки. Именно струпването им на клъстери обяснява факта, че тези ранни чудовища не са равномерно разпределени във Вселената, а хармоничното им движение, след многото влияния между орбитите им, е причина за липсата на чести взривове и липсата на засечени гравитационни трептения.
Тъмната материя* май не е толкова 'тъмна'
Целта на Йедамжик е да покаже, че тези ранни ранни черни дупки, могат, всъщност, да са ключът към загадката за тъмната материя. Много учени и досега смятат, че тя е просто съвкупност от неоткрита елементарна частица, която не си взаимодейства с нищо дори с фотоните, преносителите на светлината. Черните дупки дават реална алтернатива въпреки скептицизма на много учени. Те са породени от главно от два факта - не са намерени толкова малки чудовища, които със сигурност да не са в резултат от колапсирали звезди. Също така, макар честотата на сблъсъци, която предвижда Йедамжик, да съвпада с тази на трептенията засечени от LIGO, досега не е имало трептение, което да не може да бъде свързано със събитие, станало във видимия спектър на Вселената.
Все пак теорията дава надежда, предвид факта, че нито Адронния колайдер в Церн*, нито специалните уреди за засичане* успяват да идентифицират тази срамежлива частица - съставката на тъмната материя. Според много нейни застъпници, основният и плюс е, че използва само вече доказани елементи.
Дали ще засечем новата частица или пък 'миниатюрна' черна дупка, и в двата случая печели науката. Тази история е пример за това, как конкуренцията и любознателността водят към прогрес и напредък. А най - хубаво е, когато откриваме, че новият прочит на старото, може да даде нов тласък да се измисли и напише новото.
Автор: Иван Григоров
Референции:
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)
Проблемът на Нютон за трите тела
Източници:
Physicists Argue That Black Holes From the Big Bang Could Be the Dark Matter
Космическият пейзаж от Ленард Съскинд
The search for dark matter -- and what we've found so far | Risa Wechsler
Допълнително по темата:
Да паднеш в черна дупка от Нийл Деграс Тайсън
Черни дупки и бебета вселени и други есета - ново допълнено издание от Стивън Хокинг
Do Black Holes Create New Universes?
Dark matter: The matter we can't see - James Gillies
Physics in the Dark: Searching for the Universe’s Missing Matter
