Допуска се съществуването на странни „гравитационни молекули“ около черните дупки

0
541
Тази компютърна симулация показва сливане на свръхмасивни черни дупки. Източник: NASA Goddard Space Flight Center

Eкип от изследователи показа, че специален вид частица може да съществува около двойка черни дупки, както електронът може да съществува около двойка водородни атоми. Този странен обект може да ни подскаже за произхода на тъмното вещество и необиковената природа на пространство-времето.

За да разберем как новото изследване обяснява съществуването на гравитационна молекула, първо трябва да проучим един от най-фундаменталните аспекти на съвременната физика: полето.

Полето

Полето е математическо понятие, коeто подсказва какво бихме очаквали да открием, докато пътуваме от едно на друго място из Вселената. Например, когато гледате телевизионен метеорологичен доклад за температурите във вашия район, данните са представени в удобно за зрителите поле: докато пътувате из даден град или област ще знаете на какви температури най-вероятно ще се натъкнете и къде.

Видео симулация на сливане на чрни дупки: 

Този вид поле е известно като скаларно поле – тоест еднозначно определено поле. Във физическото пространство има и други видове полета – например „векторни“ и „тензорни“, които представят пространството-времето с помощта на повече от един параметър.

В средата на 20-ти век физиците възприемат концепция за полето, която е съществувала от векове по това време. Те осъзнават, че полетата не са просто полезни математически способи, а всъщност описват нещо фундаментално – всяко нещо във Вселената може да се представи чрез определен тип поле.

Електронът

Нека разгледаме електрона – от квантовата механика знаем, че е доста трудно да се определи точно къде cе намира електронът във всеки един момент. В съвременната физика електронът се представя чрез поле – математически обект, който ни показва къде е вероятно да открием електрона в даден бъдещ момент. Това поле реагира на околния свят поради електрическото влияние на атомното ядро и се модифицира там, където следва да наблюдаваме електрона. Крайният резултат е, че електроните могат да се появят само в определени региони около атомно ядро. На това се основава цялата съвременна химия.

Подобно на това как електроните обикалят около атомното ядро, без да „падат“ към него, малките черни дупки под определена маса могат да „накарат“ веществото да се върти в орбита, без да попадне в черната дупка. Източник: Halfdan, Wikimedia Commons

В атомната физика можем напълно да опишем всяка елементарна частица като електрона с помощта на три величини: маса, въртене (спин) и електричен заряд. В гравитационната физика пък можем напълно да опишем една черна дупка с помощта на същите три величини. Съвпадение? Това все още е въпрос на изследване, но засега можем да използваме това сходство, за да разберем по-добре черните дупки.

Само в определени региони

С помощта на езика на физиката на частиците, който току-що разгледахме, можем да опишем атома като малко ядро, заобиколено от електронно поле. Това електронно поле реагира на присъствието на ядрото и позволява на електрона да се появи само в определени региони. Същото важи и за електроните около две ядра, например в двуатомната молекула като водорода.

Oхладен атомен облак с помощта на лазери, наблюдаван през микроскопска камера. Източник: University of Otago

Можем да опишем околната среда на една черна дупка по подобен начин. Сингулярността ѝ е донякъде подобна на ядрото на атом, а заобикалящата я среда, която представлява скаларно поле, е подобна на тази на субатомна частица. Това скаларно поле реагира на присъствието на черната дупка и позволява на съответната частица да се появи само в определени региони. И точно както при двуатомните молекули, можем да опишете скаларните полета около две черни дупки.

„Гравитационни молекули“

Авторите на изследването установяват, че скаларните полета наистина могат да съществуват около двойка черни дупки. Нещо повече, те могат да се оформят в определени модели, които приличат на начина, по който електронните полета се подреждат в молекули. Поведението на скаларни полета в този сценарий имитира начина, по който „се държат“ електроните в двуатомните молекули, откъдето идва и наименованието „гравитационни молекули“.

Лазерно-интерферометричната гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) е мащабна обсерватория за откриване на гравитационни вълни и за развитие на гравитационно-вълновите наблюдения. В САЩ са построени две големи обсерватории с цел откриване на гравитационни вълни чрез лазерна интерферометрия. Тези обсерватории използват огледала на разстояние четири километра едно от друго, които могат да долавят изменения, по-малки от една десетхилядна от диаметъра на протона. Източник: Caltech/MIT/LIGO Lab

Защо има такъв интерес към скаларните полета? От една страна, все още не разбираме природата на тъмното вещество и тъмната енергия – възможно е те да се състоят от едно или повече скаларни полета, точно както електроните се състоят от електронно поле.

Тъмно вещество

Ако тъмното вещество наистина може да се представи като скаларно поле, това би означавало, че то би могло да съществува в необикновено състояние около двойка черни дупки – мистериозните тъмни частици би следвало да съществуват в много специфични орбити, точно както електроните в атоми. Системата от две черни дупки обаче не „живее“ вечно – те в крайна сметка се сливат в една черна дупка. Така скаларните полета на тъмното вещество биха повлияли на гравитационните вълни, излъчени по време на сливането, защото те биха филтрирали и преформирали всички вълни, преминаващи през области с повишена плътност на тъмно вещество. Така може да успеем да открием този вид тъмно вещество с помощта на чувствителните детектори за гравитационни вълни.

Официалната публикация можете да намерите тук.

4.7 3 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
0 Коментара
Отзиви
Всички коментари