Πώς να φτάσετε κοντά σε μια μαύρη τρύπα

Μια εισαγωγή στο Ινστιτούτο Μαύρης Τρύπας

Σωστά, η Πρωτοβουλία Μαύρης Τρύπας (BHI) ιδρύθηκε 100 χρόνια αφότου ο Karl Schwarzschild έλυσε τις εξισώσεις του Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα - μια λύση που περιέγραφε μια μαύρη τρύπα δεκαετίες πριν από την πρώτη αστρονομική απόδειξη ότι υπάρχουν. Ως εξωτικές δομές του χωροχρόνου, οι μαύρες τρύπες συνεχίζουν να γοητεύουν αστρονόμους, φυσικούς, μαθηματικούς, φιλοσόφους και το ευρύ κοινό, μετά από έναν αιώνα έρευνας για τη μυστηριώδη φύση τους.

Η αποστολή του BHI είναι διεπιστημονική και, για το σκοπό αυτό, χορηγούμε πολλές εκδηλώσεις που δημιουργούν το περιβάλλον για την υποστήριξη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ερευνητών διαφορετικών ειδικοτήτων. Οι φιλόσοφοι μιλούν με μαθηματικούς, φυσικούς και αστρονόμους, οι θεωρητικοί μιλούν με παρατηρητές και μια σειρά προγραμματισμένων εκδηλώσεων δημιουργούν τον χώρο όπου οι άνθρωποι θα συναντώνται τακτικά.

Για παράδειγμα, για ένα πρόβλημα που μας ενδιαφέρει, εξετάστε τις ιδιομορφίες στα κέντρα των μαύρων οπών, που σηματοδοτούν την κατάρρευση της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν. Πώς θα έμοιαζε μια ιδιομορφία στο κβαντομηχανικό πλαίσιο; Πιθανότατα, θα εμφανιζόταν ως μια ακραία συγκέντρωση μιας τεράστιας μάζας (περισσότερες από λίγες ηλιακές μάζες για αστροφυσικές μαύρες τρύπες) μέσα σε έναν μικροσκοπικό όγκο. Το μέγεθος της δεξαμενής που αποστραγγίζει όλη την ύλη που έπεσε σε μια αστροφυσική μαύρη τρύπα είναι άγνωστο και αποτελεί ένα από τα άλυτα προβλήματα στα οποία εργάζονται οι μελετητές του BHI.

Είμαστε στην ευχάριστη θέση να παρουσιάσουμε μια συλλογή από δοκίμια που επιλέχθηκαν προσεκτικά από την ανώτερη σχολή μας από πολλές αιτήσεις στον πρώτο διαγωνισμό δοκιμίου του BHI. Τα δοκίμια που θα κερδίσουν θα δημοσιευτούν εδώ στις Ναυτίλος τις επόμενες πέντε εβδομάδες, ξεκινώντας με τον πέμπτο τερματιστή και φτάνοντας μέχρι τον πρώτο τερματιστή. Ελπίζουμε ότι θα τα απολαύσετε όσο και εμείς.

—Abraham (Avi) Loeb
Frank B. Baird, Jr. Καθηγητής Επιστημών, Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ
Πρόεδρος, Τμήμα Αστρονομίας του Χάρβαρντ
Ιδρυτικός Διευθυντής, Black Hole Initiative (BHI)

Οι μαύρες τρύπες είναι τα πιο ακραία αντικείμενα στο σύμπαν. Κατάμαυρο, με μάζες έως και ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από τον ήλιο μας και με τη δύναμη να αγκυροβολούν ολόκληρους γαλαξίες, τέτοια ακραία αντικείμενα απαιτούν εξίσου ακραίες μεθόδους μελέτης τους. Πράγματι, οι επιστήμονες καταβάλλουν κάθε δυνατή προσπάθεια για να πάρουν ό,τι σήματα μπορούν από αυτά τα αόρατα θηρία:τηλεσκόπια που εκτοξεύτηκαν στο διάστημα για να ανιχνεύσουν ακτίνες Χ που εκπέμπονται από μαύρες τρύπες αλλά δεν μπορούν να περάσουν από την ατμόσφαιρά μας. ανιχνευτές νετρίνων πλάτους χιλιομέτρων τοποθετημένοι στον πυθμένα της Μεσογείου Θάλασσας, πιάνοντας στοιχειώδη σωματίδια που προέρχονται από τις γεννήσεις της μαύρης τρύπας. και πάνω από 600 εκατομμύρια δολάρια δαπανήθηκαν για την κατασκευή του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ, το οποίο προσφέρει την πρώτη ευκαιρία να παρατηρήσετε απευθείας τη δραστηριότητα της μαύρης τρύπας.

Τι θα γινόταν όμως αν οι μαύρες τρύπες μπορούσαν να μελετηθούν με πιο μετριοπαθή τρόπο, χωρίς πεδία τηλεσκοπίων ή εξοπλισμό εκατομμυρίων δολαρίων; Τι θα γινόταν αν, αντί να τα κυνηγήσουν στη φύση, οι επιστήμονες μπορούσαν να τα κατασκευάσουν στο εργαστήριο και στη συνέχεια να μελετήσουν τη συμπεριφορά τους από κοντά και λεπτομερώς;

Αυτός είναι ο κόσμος των αναλογικών μαύρων τρυπών. Εδώ, οι επιστήμονες αναπαράγουν πτυχές της απίστευτης φυσικής των μαύρων τρυπών σε εργαστήρια και σε επιτραπέζια, χρησιμοποιώντας ανεπιτήδευτα υλικά όπως γυαλί, νερό και σύννεφα αερίου. Είναι μια προσέγγιση που, φέρνοντας τις μαύρες τρύπες στη γη, προσφέρει ένα σημαντικό συμπλήρωμα στις παραδοσιακές μεθόδους γαλαξιακής παρατήρησης και μπορεί ακόμη και να οδηγήσει στη μηχανική νέων, σημαντικών υλικών που ενσωματώνουν μερικές μοναδικές ιδιότητες των μαύρων οπών.

Η λογική πίσω από τις αναλογικές μαύρες τρύπες είναι απλή και ξεκινά με το γεγονός ότι έχουμε κάποιες πεποιθήσεις για το πώς λειτουργούν οι πραγματικές μαύρες τρύπες. Γνωρίζουμε, για παράδειγμα, τις εξισώσεις που διέπουν τον ορίζοντα γεγονότων - το μέρος όπου η έλξη της βαρύτητας γίνεται τόσο ισχυρή που δημιουργεί ένα σημείο μη επιστροφής για οποιαδήποτε ουσία που διέρχεται από αυτόν, συμπεριλαμβανομένου του φωτός. Γνωρίζουμε επίσης άλλα φυσικά συστήματα που υπακούουν σε αυτές τις ίδιες εξισώσεις, αλλά τα οποία είναι πολύ πιο εύκολο να χειριστούν και να μετρήσουν. Έτσι, αν θέλουμε να δοκιμάσουμε τι συμβαίνει γύρω από το χρόνο που το φως διέρχεται από τον ορίζοντα γεγονότων - αλλά δεν θέλουμε τον κόπο να το παρατηρήσουμε σε μια μαύρη τρύπα έτη φωτός μακριά - μπορούμε αντί αυτού να δημιουργήσουμε ένα σύστημα ρευστών εδώ στη γη που ακολουθήστε τους ίδιους κανόνες. Αυτό το σύστημα θα έχει τη δική του εκδοχή των τμημάτων μιας μαύρης τρύπας, συμπεριλαμβανομένου ενός σημείου χωρίς επιστροφή για τα κύματα που ταξιδεύουν μέσα από αυτήν. Οι παρατηρήσεις που γίνονται σε αυτό το σύστημα μπορούν στη συνέχεια να χαρτογραφηθούν ξανά στις αντίστοιχές τους σε μαύρες τρύπες. Με αυτόν τον τρόπο, οι εξισώσεις λειτουργούν όπως το σενάριο ενός θεατρικού έργου, με τις μαύρες τρύπες να ρίχνουν ένα σύνολο ηθοποιών και τα αναλογικά συστήματα να ρίχνουν ένα άλλο.

Η έμπνευση για τη μελέτη των μαύρων τρυπών μέσω αναλόγων προήλθε από ένα ψάρι που ούρλιαζε. Το 1972, ο φυσικός William Unruh σκέφτηκε την ιστορία ενός ψαριού που έπεσε πάνω από έναν αδικαιολόγητα γρήγορο καταρράκτη ως μέσο για να περιγράψει μια μαύρη τρύπα. Εάν ο καταρράκτης κινούνταν με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του ήχου, εξήγησε, θα υπήρχε ένα σημείο στο οποίο οι κραυγές ενός ψαριού που είχε πέσει πάνω του δεν θα ακούγονταν ποτέ έξω από τους καταρράκτες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι κραυγές δεν μπορούσαν να κινηθούν προς τα πάνω πιο γρήγορα από ό,τι το νερό τις σπρώχνει προς τα κάτω, με τον ίδιο τρόπο που το φως δεν μπορεί να απελευθερωθεί από τη συντριπτική βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας μόλις περάσει τον ορίζοντα γεγονότων. Ενώ αυτή η παράλογη ιστορία ξεκίνησε ως μια απλή απεικόνιση, ο Unruh τελικά την εξέλιξε σε ένα σωστό μαθηματικό επιχείρημα, δείχνοντας σε ένα έγγραφο του 1981 πώς τέτοιες «ηχητικές» ή «κωφές» μαύρες τρύπες χαρτογραφήθηκαν μαθηματικά στο πραγματικό πράγμα. Το πεδίο των αναλογικών μαύρων τρυπών γεννήθηκε.

Ποιες ακριβώς ιδιότητες των μαύρων οπών μπορούν να εξερευνηθούν χρησιμοποιώντας αυτά τα ανάλογα; Η ακτινοβολία Hawking - ένα υποθετικό μέσο με το οποίο μπορούν να εξατμιστούν οι μαύρες τρύπες - έχει αποτελέσει το κύριο επίκεντρο της μελέτης, καθώς η ύπαρξή της είναι τόσο αβέβαιη, αλλά και εξαιρετικά σημαντική εάν είναι αληθινή. Το 1974, ο Stephen Hawking συνδύασε ιδέες από τις σε μεγάλο βαθμό ασύμβατες θεωρίες της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής για να δείξει ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί πραγματικά να εκπέμπουν σωματίδια, τα οποία με την πάροδο του χρόνου θα τις προκαλούσαν να συρρικνωθούν και ακόμη και να εξαφανιστούν. Η παρατήρηση ιχνών της ακτινοβολίας Hawking από τις μαύρες τρύπες θα έκανε πολλά για να φέρει κοντά αυτές τις δύο αντίθετες θεμελιώδεις θεωρίες της φυσικής. Αλλά υπάρχει ένα κρίσιμο πρόβλημα με την προσπάθεια μέτρησης αυτής της επίδρασης «στο πεδίο»:Η ακτινοβολία Hawking είναι τόσο αδύναμη, οποιοδήποτε σημάδι της θα εξαφανιζόταν εντελώς από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου που διαπερνά το σύμπαν.

Η δυσκολία ανίχνευσης ενός τόσο αδύναμου αλλά σημαντικού σήματος είναι ακριβώς αυτό που παρακινεί τη χρήση μοντέλων στους περισσότερους επιστημονικούς κλάδους. Στη βιολογία, για παράδειγμα, μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί η λειτουργία ενός γονιδίου σε δεδομένα που συγκαλύπτονται από άλλους παράγοντες, όπως οι διαφορές στον τρόπο ζωής. Έτσι, οι βιολόγοι στρέφονται σε εξαιρετικά ελεγχόμενες εργαστηριακές ρυθμίσεις, όπου οι γενετικές τροποποιήσεις είναι γνωστές και οι επιπτώσεις τους μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια. Η ίδια ευκαιρία για έλεγχο και ακρίβεια μπορεί επίσης να οδηγήσει τους αστροφυσικούς μακριά από το τηλεσκόπιο και στο εργαστήριο.

Αυτή η μετανάστευση στο εργαστήριο μπορεί να απέδωσε. Το 2016, μετά από πολλά χρόνια εργασίας, ο πειραματικός φυσικός Jeff Steinhauer δημοσίευσε τα αποτελέσματα μιας μινιατούρας έκδοσης του καταρράκτη του Unruh. Ο Steinhauer γέμισε ένα μικρό φιαλίδιο με ένα σύννεφο πολύ κρύων ατόμων ρουβιδίου. Αυτά τα άτομα εισήλθαν σε μια ειδική κατάσταση της ύλης όπου η ταχύτητα του ήχου επιβραδύνεται τρομερά, καθιστώντας εύκολη τη δημιουργία υπερηχητικών ταχυτήτων σε αυτό το σύστημα. Ο Steinhauer παρατήρησε ότι και στις δύο πλευρές του ορίζοντα γεγονότων αυτού του συστήματος, ζεύγη «φωνονίων» ήταν μπλεγμένα. Αυτό είναι ανάλογο με τα ζεύγη φωτονίων που πιστεύεται ότι αποτελούν τη βάση της ακτινοβολίας Hawking στις μαύρες τρύπες. Έτσι, το πείραμα του Steinhauer ήταν, εξ ορισμού, η πρώτη παρατήρηση των κβαντικών επιδράσεων της ακτινοβολίας Hawking.

Υπάρχει μια ποικιλία υλικών που χρησιμοποιούνται και μυστήρια εξερευνώνται με αναλογικές μαύρες τρύπες. Για παράδειγμα, για να διερευνήσουν τι συμβαίνει στο φως καθώς περνά μέσα από τον καμπύλο χωροχρόνο που δημιουργείται από μια ακραία βαρυτική έλξη, φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του St. Andrew δημιούργησαν οπτικές ίνες που αποκρίνονται που αναπαράγουν την αναμενόμενη επιβράδυνση του φωτός. Αυτό το σύστημα παρέχει επίσης ένα άλλο κυνήγι για σημάδια ακτινοβολίας Hawking.

Διαφορετικοί τύποι μαύρων τρυπών έχουν διαφορετικές ιδιότητες. Αυτά που περιστρέφονται, για παράδειγμα, προβλέπεται να έχουν θετικό αντίκτυπο στην ενέργεια των κυμάτων που έρχονται κοντά τους. Αυτό το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί τώρα σε μια απλή μπανιέρα που δημιουργήθηκε στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ, όπου τα κύματα του νερού που πλησίαζαν —αλλά διέφευγαν——μια αποχέτευση έλαβαν ώθηση στο πλάτος τους.

Μια άλλη προσέγγιση για τις μαύρες τρύπες που κατασκευάζονται σε εργαστήριο επικεντρώνεται στη μηχανική σύνθετων υλικών που απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερο φως. Αυτά τα «μεταϋλικά» μπορούν να απαντήσουν σε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το πώς συμπεριφέρεται το φως κάτω από ακραίες συνθήκες. Επιπλέον, η ύπαρξη αυτών των υλικών θα μπορούσε να επηρεάσει πεδία πολύ πέρα ​​από την επιστήμη της μαύρης τρύπας. Τέτοιες συσκευές κάμψης φωτός θα μπορούσαν να συμβάλουν στη δημιουργία «μανδύων αορατότητας» ή σε εξαιρετικά αποδοτικές ηλιακές κυψέλες, δείχνοντας ότι ακόμη και οι πιο εξωτικές επιστημονικές προσπάθειες μπορούν να επηρεάσουν την καθημερινή ζωή.

Τα αναλογικά συστήματα είναι ανεκτίμητης αξίας ως μέσο για να κατανοήσουμε ένα φαινόμενο που συνήθως είναι πολύ πέρα ​​από τις δυνατότητές μας. Αλλά ως αναλογίες, έχουν περιορισμούς και πρέπει να προσέχουμε να μην τους τεντώνουμε πολύ μακριά. Με τον ίδιο τρόπο που οι επιστήμονες της ιατρικής δεν μπορούν να υποθέσουν ότι μια θεραπεία που λειτουργεί για ένα ζώο θα λειτουργήσει και για έναν άνθρωπο, οι φυσικοί πρέπει να είναι προσεκτικοί όσον αφορά τη συσχέτιση των ευρημάτων από αυτές τις καλλιεργημένες μαύρες τρύπες με τα φυσικά γεννημένα ξαδέρφια τους. Πράγματι, το ερώτημα εάν η παρατήρηση των επιδράσεων που μοιάζουν με την ακτινοβολία Χόκινγκ σε ηχητικές μαύρες τρύπες έχει κάποια σχέση με το τι συμβαίνει στις πραγματικές είναι ένα ανοιχτό ερώτημα τόσο μεταξύ επιστημόνων όσο και φιλοσόφων. Η ομοιότητα των μαθηματικών τους δίνει ελπίδα ότι αυτά τα μοντέλα προσφέρουν έναν τρόπο στη μελέτη κάτι που είναι καθολικά αληθινό, παρόλο που κάθε μοντέλο έχει τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά και επιφυλάξεις. Σύμφωνα με τον φιλόσοφο της επιστήμης Radin Dardashti, η μελέτη μιας ποικιλίας αναλογικών συστημάτων μπορεί να είναι πράγματι καλό, επειδή η εύρεση στοιχείων ακτινοβολίας Hawking σε πολλαπλά διαφορετικά ανάλογα θα πρέπει να ενισχύσει την υπόθεση να πιστεύουμε ότι εμφανίζεται σε μαύρες τρύπες.

Τα διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων Χ και οι υποβρύχιοι ανιχνευτές σωματιδίων είναι κατορθώματα της μηχανικής που προσφέρουν απαράμιλλες γνώσεις για τα μεγάλα ερωτήματα του σύμπαντος και η χρησιμότητά τους στη μελέτη των μαύρων τρυπών είναι αδιαμφισβήτητη. Αλλά για μια επιστημονική εργαλειοθήκη, η διαφορετικότητα είναι το κλειδί. Τα αναλογικά συστήματα, προσφέροντας έναν τρόπο καλλιέργειας μαύρων οπών στο εργαστήριο, παρέχουν ένα εντελώς νέο περιβάλλον στο οποίο μπορείτε να εξερευνήσετε, να δοκιμάσετε και να παρατηρήσετε μια από τις πιο μυστηριώδεις οντότητες στον ουρανό.

Η Grace Lindsay είναι νευροεπιστήμονας και συγγραφέας επιστημών. Αυτήν τη στιγμή εργάζεται σε ένα βιβλίο για το πώς τα μαθηματικά μας βοηθούν να κατανοήσουμε τον εγκέφαλο.

Αυτό το δοκίμιο τοποθετήθηκε πρώτο στον διαγωνισμό δοκιμίου του Ινστιτούτου Μαύρης Τρύπας.

Πρόσθετη ανάγνωση

Bourzac, K. Κάνοντας μια Μαύρη Τρύπα με Μεταϋλικά. Technologyreview.com (2009).

Castelvecchi, D. Η τεχνητή μαύρη τρύπα δημιουργεί τη δική της εκδοχή της ακτινοβολίας Hawking. Ειδήσεις για τη φύση (2016).

Dardashti, R., Thébault, K.P.Y., &Winsberg, E. Confirmation via Analogue Simulation:What Dumb Holes Could Tell Us about Gravity. The British Journal for the Philosophy of Science 68 , 55-89 (2015).

Das, S. Φυσικοί κάνουν τεχνητή μαύρη τρύπα χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες. Spectrum.ieee.org (2008).

Grush, L. Πώς το μεγαλύτερο επίτευγμα του Stephen Hawking συνέδεσε αντίπαλους κόσμους της φυσικής. TheVerge.com (2018).

Ινστιτούτο Φυσικής. Μαύρες Τρύπες—Ένα βασικό συστατικό του σύμπαντός μας. Iop.com (2012).

Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ. Οι επιστήμονες κάνουν κύματα με μαύρη τρύπα. Research.nottingham.ac.uk (2017).

Wolchover, N. Τι λένε οι ηχητικές μαύρες τρύπες για την πραγματική συμφωνία. Wired.com (2016).

Προσφορά κολάζ εικόνων: Vadim Sadovski / Shutterstock