BLACK HOLES ARE EVEN STRANGER THAN YOU CAN IMAGINE

An artist’s impression of a Sun-like star close to a rapidly spinning supermassive black hole, with a mass of about 100 million times the mass of our Sun. - Image Credit:  ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

An artist’s impression of a Sun-like star close to a rapidly spinning supermassive black hole, with a mass of about 100 million times the mass of our Sun. – Image Credit: ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

Our love of black holes continues to grow as our knowledge of these celestial bodies expands. The latest news is the discovery of a rare “middleweight” black hole, a relative newcomer to the black hole family.

We already knew that some black holes are just a few times the mass of our Sun, while others are more than a billion times as massive. But others with intermediate masses, such as the one 2,200 times the mass of our Sun recently discovered in the star cluster 47 Tucanae, are surprisingly elusive.

So what is it about black holes, these gravitational prisons that trap anything that gets too close to them, that captures the imagination of people of all ages and professions?

‘DARK STARS’

As far back as 1783, within the framework of Newtonian dynamics, the concept of “dark stars” with sufficiently high density that not even light can escape their gravitational pull had been advanced by the English philosopher and mathematician John Michell.

Almost immediately after Albert Einstein presented his theory of general relativity in 1915, which supplanted Newton’s description of our Universe and revealed how space and time are intimately linked, fellow German Karl Schwarzschild and Dutchman Johannes Droste independently derived the new equations for a spherical or point mass.

Although at the time the issue was still something of a mathematical curiosity, over the ensuing quarter of a century nuclear physicists realised that sufficiently massive stars would collapse under their own weight to become these previously theorised black holes.

Their existence was eventually confirmed by astronomers using powerful telescopes, and more recently colliding black holes were the source of the gravitational waves detected with the LIGO instrumentation in the United States.

A DENSE OBJECT

The densities of such objects is mind-boggling. If our Sun were to become a black hole, it would need to collapse from its current size of 1.4 million km across to a radius of less than 3km (6km across). Its average density within this “Schwarzschild radius” would be nearly 20 billion tonnes per cubic centimetre.

The increasing strength and pull of gravity as you get closer to a black hole can be dramatic.

On Earth, the strength of the gravitational pull holding you to its surface is roughly the same at your feet as it is at your head, which is a little bit farther away from the planet.

A video simulation of two black holes merging.

But near some black holes, the difference in gravitational pull from head to toe is so great that you would be pulled apart and stretched out on an atomic level, in a process referred to as spaghettification.

In 1958, the American physicist David Finkelstein was the first to realise the true nature of what has come to be called the “event horizon” of a black hole. He described this boundary around a black hole as the perfect unidirectional membrane.

It’s an intangible surface encapsulating a sphere of no return. Once inside this sphere, the gravitational pull of the black hole is too great to escape – even for light.

In 1963, the New Zealand mathematician Roy Kerr solved the equations for the more realistic rotating black holes. These yielded closed time-like curves that permitted movement backwards through time.

While such strange solutions to the equations of general relativity first appeared in the 1949 work of Austrian-American logician Kurt Gödel, it is commonly thought that they must be a mathematical artefact yet to be explained away.

BLACK AND WHITE HOLES
In 1964, two Americans, the writer Ann Ewing and the theoretical physicist John Wheeler, introduced the term “black hole”. Subsequently, in 1965, the Russian theoretical astrophysicist Igor Novikov introduced the term “white hole” to describe the hypothetical opposite of a black hole.

The argument was that if matter falls into a black hole, then perhaps it is spewed out into our universe from a white hole.

This idea is partly rooted in the mathematical concept known as an Einstein-Rosen bridge. Discovered (mathematically) in 1916 by the Austrian physicist Ludwig Flamm, and re-introduced in 1935 by Einstein and the American-Israeli physicist Nathan Rosen, it was later termed a “wormhole” by Wheeler.

In 1962, Wheeler and the American physicist Robert Fuller explained why such wormholes would be unstable for transporting even a single photon across the same universe.

FACT AND FICTION
Not surprisingly, the idea of entering a (black hole) portal and re-emerging somewhere else in the universe – in space and/or time – has spawned countless science fiction stories, including Doctor Who, Stargate, Fringe, Farscape and Disney’s Black Hole.

Ongoing productions can simply claim that their characters are travelling to a different or a parallel universe to our own. While it appears to be mathematically feasible, there is of course no physical evidence to support the existences of such universes.

But this is not to say that time travel, at least in a limited sense, is not real. When travelling at great speed, or perhaps falling into a black hole, the passage of time does slow down relative to that experienced by stationary observers.

Clocks flown quickly around the world have demonstrated this, displaying time lags in accordance with Einstein’s theory of special relativity.

The 2014 movie Interstellar played on this effect around a black hole, thereby creating a sense of travelling forward in time for astronaut Cooper (played by Matthew McConaughey).

Despite the strangely endearing name, the phrase “black hole” is perhaps somewhat misleading. It implies a hole in space-time through which matter will fall, as opposed to matter falling onto an incredibly dense object.

What actually exists within a black hole’s event horizon is hotly debated. Attempts to understand this include the “fuzzball” picture from string theory, or descriptions of black holes in quantum gravity theories known as “spin foam networks” or “loop quantum gravity”.

One thing that does seem certain is that black holes will continue to intrigue and fascinate us for some time yet.

Source: The Conversation

Știm deja că unele găuri negre au doar de câteva ori masa Soarelui nostru, în timp ce altele sunt mai mult de un miliard de ori mai masive. Dar altele, cu mase intermediare, cum ar fi cea de 2.200 de ori masa Soarelui nostru descoperită recent în star cluster 47 Tucanae, sunt surprinzător de înșelătoare.

Deci, ce este cu aceste închisori gravitaționale care agață ceva ce se apropie prea mult de ele și captează imaginația oamenilor de toate vârstele și profesiile?

„DARK STARS”

Încă din 1783, în cadrul dinamicii newtoniene, conceptul de „stele întunecate” cu o densitate suficient de mare încât nici măcar lumina nu putea scăpa de atracția lor gravitațională a fost avansat de filozoful și matematicianul englez John Michell.

Aproape imediat după ce Albert Einstein și-a prezentat teoria relativității generale în 1915, care a înlocuit descrierea lui Newton despre Universul nostru și a dezvăluit cum spațiul și timpul sunt strâns legate, colegul german Karl Schwarzschild și olandezul Johannes Droste au derivat independent ecuațiile noi pentru o masă sferică sau punctuală .

Deși în momentul în care problema era încă o curiozitate matematică, în ultimul sfert de secol, fizicienii nucleari și-au dat seama că stelele suficient de masive s-ar prăbuși sub propria greutate pentru a deveni aceste găuri negre teoretizate anterior.

Existența lor a fost confirmată în cele din urmă de astronomii care folosesc telescoape puternice, iar mai recent găurile negre care se ciocnesc au fost sursa undelor gravitaționale detectate cu instrumentația LIGO din Statele Unite.

OBIECTUL DENS

Densitățile acestor obiecte sunt uluitoare. Dacă Soarele nostru ar deveni o gaură neagră, va trebui să se prăbușească de la mărimea sa actuală de 1,4 milioane km către o rază mai mică de 3 km (6 km în diametru). Densitatea medie în această “Schwarzschild radius” ar fi de aproape 20 de miliarde de tone pe centimetru cub.

Creșterea forței și atracției gravitaționale pe măsură ce vă apropiați de o gaură neagră poate fi dramatică.

Pe Pământ, forța atracției gravitaționale care vă ține pe suprafața sa este aproximativ aceeași atât picioarele voastre, cât și la nivelul capul, care este puțin mai departe de planetă.

Dar, în apropierea unor găuri negre, diferența de tracțiune gravitațională de la cap până la picioare este atât de mare încât veți fi sfâșiat și întins la nivel atomic, într-un proces numit spaghettificare.

În 1958, fizicianul american David Finkelstein a fost primul care a realizat adevărata natură a ceea ce a ajuns să fie numit „orizontul evenimentului” unei găuri negre. El a descris această limită în jurul unei găuri negre ca o membrană perfectă unidirecțională.

Este o suprafață intangibilă ce încapsulează o sferă fără întoarcere. Odată ajuns în această sferă, tragerea gravitațională a găurii negre este prea mare pentru a scăpa – chiar și pentru lumină.

În 1963, matematicianul din Noua Zeelandă Roy Kerr a rezolvat ecuații mai realiste pentru găurile negre rotative. Acestea au generat curbe de timp închise, care ar permite mișcarea înapoi în timp.

Deși astfel de soluții ciudate pentru ecuațiile relativității generale au apărut pentru prima oară în lucrarea din 1949 a logicianului austro-american Kurt Gödel, se crede că ele trebuie să fie un artefact matematic care încă nu este explicat.

Găură neagră și albă

În 1964, doi americani, scriitorul Ann Ewing și fizicianul teoretic John Wheeler, au introdus termenul „gaura neagră”. Ulterior, în 1965, astrofizicianul teoretic rus Igor Novikov a introdus termenul „gaură albă” pentru a descrie opusul ipotetic al unei găuri negre.

Argumentul a fost că, dacă materia cade într-o gaură neagră, atunci poate că este aruncată în universul nostru dintr-o gaură albă.

Această idee este parțial înrădăcinată în conceptul matematic cunoscut sub numele de pod Einstein-Rosen. Descoperit (matematic) în 1916 de către fizicianul austriac Ludwig Flamm și reintrodus în 1935 de Einstein și de fizicianul american-israelian Nathan Rosen, a fost mai târziu numit „gaură de vierme” de către Wheeler.

În 1962, Wheeler și fizicianul american Robert Fuller au explicat de ce astfel de găuri de vierme ar fi instabile pentru a transporta chiar un singur foton în același univers.

Fapte și ficțiune

Nu este surprinzător că ideea de a intra într-un portal (gaura neagră) și de a se reapărea în altă parte a universului – în spațiu și / sau în timp – a dat naștere unor nenumărate povești science-fiction, printre care Doctor WhoStargateFringeFarscape and Disney’s Black Hole.

Producțiile în curs de desfășurare pot pur și simplu susține că personajele lor călătoresc într-un univers diferit sau paralel cu al nostru. Deși pare a fi posibil din punct de vedere matematic, nu există desigur dovezi fizice care să susțină existența unor astfel de universuri.

Dar aceasta nu înseamnă că a călători în timp, cel puțin într-un sens limitat, nu poate fi real. Când călătoriți cu mare viteză sau poate cădeați într-o gaură neagră, trecerea timpului încetinește în raport cu cea a observatorilor staționari.

Ceasurile care au zburat repede în întreaga lume au demonstrat acest lucru, prezentând întârzieri în timp, în conformitate cu teoria relativității speciale a lui Einstein.

Filmul Interstellar din 2014 s-a jucat cu acest efect din ptoximitatea unei găuri negre, creând astfel un sentiment de călătorie înainte în timp pentru astronautul Cooper (jucat de Matthew McConaughey).

În ciuda numelui ciudat de ciudat, expresia „gaura neagră” este poate oarecum înșelătoare. Aceasta implică o gaură în spațiu-timp prin care materia va cădea, spre deosebire de materia care cade pe un obiect incredibil de dens.

Ceea ce există de fapt într-un orizont al evenimentului unei găuri negre este dezbătut cu hotărâre. Încercările de a înțelege acest lucru includ imaginea “fuzzball” din teoria corzilor sau descrierile găurilor negre din teoriile gravitației cuantice cunoscute ca “spin foam networks” sau „gravitație cuantică de buclă”.

Un lucru care pare sigur este că găurile negre vor continua să ne intrige și să ne fascineze încă mult timp.

Sursa: The Conversation

Reclame

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Google

Comentezi folosind contul tău Google. Dezautentificare /  Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare /  Schimbă )

Conectare la %s