100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Астрономы нашли способ обнаружения червоточин

Охота на кротовые норы: как и где во Вселенной найти червоточины

червоточина, кротовая нора, Вселенная

Туннели в пространстве-времени стали любимой темой научной фантастики, но ученые говорят, что червоточины так же реальны, как Земля и Солнце.

Кротовые норы – краткий путь в пространстве и времени, который давно стал основой научной фантастики. Но некоторые ученые полагают, что червоточины во Вселенной являются таким же естественным объектом, как звезды и планеты. Научный термин для этого экзотического объекта – мост Эйнштейна-Розена, пишет Space.com.

Будь всегда в курсе событий вместе с телеграм-каналом Быстрый Фокус.

Идея кротовых нор уходит корнями в общую теорию относительности Альберта Эйншейна – его революционный шедевр, перевернувший представления человечества о гравитации с ног на голову. Веками люди считали, что знают все о гравитации, основываясь на работах Исаака Ньютона. Яблоки неизменно падали на землю, а сама планета осталась на орбите вокруг Солнца из-за гравитационного притяжения между объектами.

Но Эйнштейн видел все иначе, он предполагал, что гравитация – это просто искривление пространства и времени. В рамках его теории Земля вращалась вокруг Солнца, потому что масса звезды искривляла пространство вокруг себя, как шар для боулинга на мягкой подушке. Наша планета, согласно Эйнштейну, просто следовала локальной кривизне этой ткани, которую ученый называл «пространством-временем».

Такая безумная идея остро нуждалась в экспериментальных доказательствах. Солнечное затмение 1919 года предоставило такую возможность. Луна заслонила Солнце настолько сильно, что на небе были видны звезды. Тем не менее, звезды оказались не на своих местах, потому как гравитация Солнца искривила их свет. Соперничающие теории Ньютона и Эйнштейна предсказывали разную величину этого искривления, что позволило выяснить, кто был на самом деле прав. Эйнштейн одержал победу: массивные объекты действительно искривляют пространство-время вокруг себя.

Что такое червоточина

Объясняя это явление, ученые всегда советуют представить пространство, как огромный лист бумаги. Например, вы живете в одном конце листа, но хотите попасть на противоположный. Обычно, потребуется пересечь весь лист, чтобы попасть на его другую сторону. Но что, если вместо этого сложить лист пополам? Тогда то место, где вы находитесь окажется совсем рядом с конечной точкой пути. Путешественнику нужно будет лишь пройти небольшой промежуток. Ученые называют эти объекты червоточинами, потому что они похожи на червя, прокладывающего себе сквозь яблоко. Чтобы добраться с одной стороны яблока на другую у него есть два пути: проползти по внешней стороне или же проложить себе путь сквозь яблоко.

кротовая нора, червоточина

До недавнего времени шансы найти эти объекты были в лучшем случае невелики. Но все изменилось в феврале 2016 года, когда ученые, стоящие за проектом LIGO, объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн. Крошечная рябь в ткани пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности, распространяет по Вселенной так же, как рябь на пруду.

«Это полностью изменило правила игры», – говорит физик из Лиссабонского университета в Португалии Виктор Кардозо.

Дело было в том, что две черные дыры, массой в 30 раз больше Солнца, столкнулись друг с другом 1,3 млрд лет назад. Их столкновение вызвало цунами гравитационных волн, прорвавшихся сквозь пространство-время, и в конце концов они достигли инструмента LIGO в сентябре 2015 года.

Исследование Кардозо предполагает, что две сталкивающиеся червоточина вызовут аналогичный всплеск гравитационных волн, как и черные дыры. Однако, волны от столкновения червоточин будут немного отличаться.

черные дыры

Ключевым моментом является то, как гравитационные волны затухают после первоначального столкновения.

«С двумя сталкивающимися червоточинами вы увидите такие же волны, как и у черных дыр. Но если ваш детектор очень чувствителен, то через секунды или десятки секунд после взрыва произойдет нечто иное», – говорит автор исследования Кардозо.

Читайте так же:
13 широко известных «фактов», которые никакими фактами не являются — рассказываем во всех подробностях

По его словам, это связано с природой черных дыр, которые проглатывают все, что подходит слишком близко. Звук сталкивающихся черных дыр всегда становится тише и быстро угасает. Но при столкновении червоточин после тишины появляется эхо – внезапный, последний сигнал, когда гравитационные волны отражаются от поверхности червоточин. Такого никогда не произойдет с черными дырами, поскольку они поглощают абсолютно все.

К сожалению, инструменты LIGO в настоящее время недостаточно чувствительны, чтобы улавливать такое позднее эхо. Однако обсерваторию модернизируют, и это станет возможным «через десять лет или около того», считает Кардозо.

Другой многообещающий проект – космический детектор гравитационных волн LISA Европейского космического агентства, который будет запущен в 2034 году.

Но обнаружение червоточин с помощью столкновение может быть не единственным инструментом поиска. Диего Рубьера-Гарсия, бывший коллега Кардозу по Лиссабонскому университету, придерживается другой идеи. Он изучает процессы, которые могут происходить глубоко внутри черных дыр.

Теория относительности говорит, что черные дыры имеют в своем центре сингулярность – бесконечно сжатую, бесконечно плотную точку.

«Любой наблюдатель, который приблизится к этой точке, будет уничтожен. После этого вы исчезнете из пространства-времени, вам будет больше некуда идти», – говорит Рубьера-Гарсия.

Именно в этой особенности нарушается общая теория относительности – ее уравнения теряются всякий смысл. Многие физики уверены в том, что необходим новый набор правил, чтобы заменить общую теорию относительности для таких экстремальных условий.

И вот тут появляются червоточины. Когда Рубьера-Гарсия применил один из альтернативных наборов правил к физике черных дыр, сингулярность исчезла, превратившись в червоточину.

«Тогда наблюдатель сможет пройти через эту кротовую нору и перейти в другую область Вселенной», – отмечает Рубьера-Гарсия.

Проблема в том, что этот кратчайший путь сквозь космос может быть просто математическим «призраком». Иными словами, альтернатив общей теории относительности, которая использовалась Рубьера-Гарсия, может не соответствовать тому, как на самом деле работает наша Вселенная. Как и все хорошие научные теории, эту также необходимо проверить, как было с Эйнштейном в 1919 году. Именно здесь появляются гравитационные волны.

После того, как ученые создали обширную библиотеку записей пойманных гравитационных волн, они могут анализировать данные в поисках отклонений от общей теории относительности. Если такие будут найдены, что соответствует альтернативным теориям, ученые смогут с уверенностью сказать: червоточины – прячутся внутри черных дыр.

Как найти червоточину

Эхо гравитационных волн

Гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр исчезают очень быстро, но две столкнувшиеся червоточины будут производить эхо, которое смогут обнаружить в будущем.

Микролинзирование

черные дыры, гравитационное линзирование

Гравитация галактик и звезд может искажать и увеличивать свет от далеких объектов. Если бы червоточина прошла перед далекой звездой, она бы слегка искривила ее свет, что называется «микролинзированием». Этот метод уже используется для поиска планет-изгоев.

Билет в один конец

Некоторые ученые считают, что черные дыры – это замаскированные кротовые норы. В рамках рискованной миссии, отправка чего-либо внутрь черной дыры помогла бы узнать наверняка, действительно ли существуют червоточины.

Где искать червоточины

Центр Млечного Пути

Млечный Путь, галактика, Вселенная

В 2015 году итальянские исследователи предположили, что в центре Млечного Пути может скрываться червоточина на расстоянии около 27 тыс. световых лет от нас. Обычно червоточине требуется какая-то экзотическая материя, чтобы оставаться открытой. Исследователи полагают, что темная материя вполне может справиться с этой задачей.

Квантовая пена

квантовая пена

Ученые считают, что даже пустое пространство во Вселенной на самом не деле не пусто – в самых маленьких масштабах оно представляет из себя бурлящий котел энергии. Некоторые полагают, что крошечные виртуальные черные дыры постоянно появляются и исчезают в квантовой пене. Однако, понадобится много энергии, чтобы сделать одну из этих черных дыр постоянной.

Читайте так же:
Открыт новый способ производства электричества с помощью углерода

Черные дыры

черная дыра, Млечный Путь

Некоторые исследователи полагают, что вместо сингулярности, внутри черных дыр скрываются червоточины. Однако до сих пор остается неясным, будут ли эти червоточины достаточно большими для путешествия людей.

Физики рассказали, как найти червоточины. Если они, конечно, существуют

Считается, что червоточины или кротовые норы, которые представляют собой туннели, соединяющие две области пространства-времени, относятся к области научной фантастики, поскольку, если бы такой объект действительно каким-то образом сформировался во Вселенной, то, согласно известным нам законам физики, он был бы нестабильным и немедленно коллапсировал.

Но если предположить, что они могут существовать, как мы можем их найти? Согласно исследованию, представленному в журнале Physical Review D, для этого потребуется черная дыра, звезды, вращающиеся вокруг нее, и инструменты для точного определения их движения.

Схематичное представление кротовой норы. Credit: edobric/Shutterstock

Согласно современным представлениям, червоточины, концепцию которых описали еще в 1935 году физики Альберт Эйнштейн и Натан Розен, являются «складкой» в пространстве-времени. Представьте себе муравья, идущего по куску ткани из одной точки в другую. Когда ткань расправлена муравей должен пройти максимальное расстояние, однако, если ее сложить так, что две противоположные точки почти соприкоснутся, то ему останется сделать всего один шаг для преодоления своего пути.

«Исходя из концепции червоточины можно предположить, что есть вполне очевидный и обычный способ обнаружить эти гипотетические объекты. Поскольку «туннель» сближает две области пространства, массивные объекты, такие как звезды, на одном конце кротовой норы будут гравитационно влиять на движение объектов на «нашей» стороне», – рассказывают авторы исследования.

Неистовая гравитация

Предполагается, что для гипотетического образования червоточины необходима гравитационно экстремальная среда, такая как вокруг черной дыры или даже за ее горизонтом событий.

В Млечном Пути есть такое место – галактический центр, в котором большое количество звезд вращается вокруг сверхмассивной черной дыры, известной как Стрелец А*, и, если в этом регионе скрывается червоточина, наши инструменты должны быть в состоянии ее обнаружить, основываясь на том, как движутся эти светила.

Орбиты звезд, располагающихся очень близко к сверхмассивной черной дыре в центре Млечного Пути. Credit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

«Если у вас есть две звезды, по одной с каждой стороны от кротовой норы, та, что на нашей стороне должна чувствовать гравитационное влияние светила, которое находится по другую сторону тоннеля. Гравитационный поток сможет пройти через червоточину», – пояснил Деян Стойкович, соавтор исследования из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (США).

Получается, что если нанести на карту ожидаемую орбиту звезды вокруг Стрельца А*, то, при условии наличия вблизи нее «туннеля» в пространстве-времени с массивным объектом на обратной стороне, можно увидеть отклонения в ее движении.

Однако есть проблема. Черная дыра Стрелец А* обладает массой в 4 миллиона раз превосходящей солнечную, поэтому ее гравитационная сила в сердце Млечного Пути является доминирующей, и выделение воздействия одной или даже нескольких звезд на обратной стороне червоточины было бы крайне кропотливой работой.

Панорама центра Млечного Пути от «MeerKAT», охватывающая площадь 1000 на 500 световых лет. Credit: MeerKAT

Кроме этого, если кротовая нора располагается за горизонтом событий, как предсказывают некоторые теоретики, все усилия становятся напрасными – гравитационное влияние звезды, проходящее через червоточину, было бы неотличимо от влияния самой черной дыры.

Куда смотреть?

Хорошо, что у нас есть шанс проверить все эти идеи. Вокруг Стрельца А* вращается небезызвестная звезда S2. Астрономы наблюдают за ней уже более 25 лет со все более совершенными и точными инструментами, поэтому получение данных, которые могут дать намеки на существование в центре Млечного Пути гипотетического «тоннеля» или опровергнуть его, не является невыполнимой задачей.

Читайте так же:
Запретное королевство Мустанг (видео)

С другой стороны, даже обнаружение возмущений в движении звезды S0-2 не будет являться окончательным свидетельством существования кротовых нор, и потребуется больше доказательств. Однако, если мы действительно хотим найти червоточины, нам необходима отправная точка, и теперь она у нас есть.

«На самом деле для поддержания кротовой норы необходим источник отрицательной энергии, а нам пока неизвестны способы его создания. Поэтому, чтобы во Вселенной смогла сформироваться огромная стабильная червоточина, нужно немного магии», – заключил Деян Стойкович.

Ученые нашли способ обнаружить червоточины

Кротовой норой или червоточиной принято называть гипотетическую область пространства-времени, представляющую собой переходы между двумя точками времени и пространства, словно «туннель». Несмотря на то, что кротовые норы очень любят научные фантасты, доказательств существования этих космических объектов на сегодняшний день нет. Но это не помешало физикам попытаться понять способы, с помощью которых червоточины можно было бы обнаружить. О них исследователи рассказали на страницах журнала Physical Review D.

Так может выглядеть туннель сквозь кротовую нору

Кротовые норы можно обнаружить с помощью черных дыр

Еще совсем недавно, вплоть до 12 апреля 2019 года, черные дыры считались гипотетически существующими объектами. Но после получения первого в истории снимка черной дыры, а точнее, ее тени, оспорить существование этих космических монстров не предоставляется возможным. Сегодня исследователи не исключают, что черные дыры помогут им обнаружить червоточины. По мнению специалистов, лучшее место для начала поиска — это область вокруг черных дыр или двойных систем черных дыр, которые включают в себя две черные дыры, окружающие друг друга. Причина этого заключается в том, что астрофизики считают, что чрезвычайно сильные гравитационные условия необходимы для существования червоточин. Как вы думаете, существуют ли эти гипотетические объекты на самом деле? Давайте обсудим эту увлекательную тему в нашем Telegram-чате.

Предложенный исследователями способ может помочь сделать предположения о местонахождении червоточин

В ходе работы ученые обратили пристальное внимание на Стрельца А* — объект в центре Млечного Пути, который, как подозревают специалисты, является черной дырой. Соавтор исследования, Деян Стойкович, профессор физики в университете Буффало, предлагает провести мысленный эксперимент: представьте, что у вас есть две звезды — одна с одной стороны червоточины, а вторая с другой. Из-за такого расположения, каждая звезда должна чувствовать гравитационное влияние соседней звезды, которая находится на другой стороне. Дело в том, что гравитационный поток проходит через червоточину. Поэтому, если нанести на карту предполагаемую орбиту звезды вокруг Стрельца А*, вы должны увидеть отклонение от этой орбиты, если там находится червоточина со звездой на другой стороне.

Возможно ли доказать существование кротовых нор?

Метод, предложенный учеными, предполагает изучение этих небольших отклонений в орбитах звезд, которые могут рассказать о присутствие кротовой норы. Исследователи предполагают, что лучший способ обнаружить червоточину — это вести наблюдение за орбитой звезды S2, которая вращается вокруг Стрельца A*. Одна из проблем, связанных с реализацией этого плана, состоит в том, что современные технологии не способны с вероятностью в 100% обнаружить небольшие возмущения, которые могут сигнализировать о наличии червоточины. По этой причине не стоит ждать подтверждения или опровержения существования кротовых нор в ближайшее время. Более точные измерения могут однажды позволить распознать эти крошечные отклонения в орбите звезд. Однако повод для оптимизма по-прежнему есть — исследователи намерены продолжать собирать данные о S2 в течение длительного времени, поэтому не исключено, что им удастся решить технические проблемы.

Читайте так же:
Как отпустить повзрослевшего ребенка и не впасть в депрессию — рассказываем по пунктам

Чтобы быть в курсе последних открытий из мира популярной науки, подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен

Однако более серьезная проблема может заключаться в том, что даже если ученые смогут наблюдать и регистрировать отклонения в орбите S2, сказать с уверенностью, что причиной нарушения орбиты звезды является червоточина нельзя. Наконец, даже если ученым удастся доказать существование кротовых нор и они изобретут способ до них добраться, маловероятно, что получится транспортировать кого-либо во времени и пространстве. Но мы с вами все-таки будем надеяться, что рано или поздно это произойдет.

Фантастика может стать реальностью: ученые разработали способ обнаружения червоточин в космосе

ЕгорЕгор Морозов | 14 Августа, 2020 — 20:00

Астрономы полагают, что они могут обнаружить черные дыры, падающие в червоточины, используя рябь в пространстве-времени, известную как гравитационные волны. Но, разумеется, это имеет смысл только в том случае, если червоточины действительно существуют и такой сценарий когда-либо случится.

Согласно Эйнштейну, который первым предсказал существование гравитационных волн в 1916 году, гравитация является результатом того, как масса искривляет пространство и время. Когда два или более объекта движутся в рамках гравитационного поля, они создают гравитационные волны, которые движутся со скоростью света, растягивая и сжимая пространство-время на своем пути.

Гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить, потому что они крайне слабы, и даже Эйнштейн не был уверен, существуют ли они на самом деле и будут ли они обнаружены. После десятилетий работы ученые сообщили о первых прямых доказательствах существования гравитационных волн в 2016 году, обнаруженных с помощью лазерного интерферометра Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Гравитационно-волновые обсерватории обнаружили более 20 разрушительных столкновений между необычайно плотными и массивными объектами, такими как черные дыры и нейтронные звезды. Однако теоретически могут существовать и более экзотические объекты, такие как червоточины, столкновения с которыми также должны вызывать гравитационные сигналы, которые ученые могли бы обнаружить.

Червоточины — это туннели в пространстве-времени, которые теоретически могут позволить путешествовать куда угодно во времени и пространстве или даже в другую Вселенную. Общая теория относительности Эйнштейна допускает возможность существования червоточин, хотя существуют ли они на самом деле — совершенно другой вопрос.

В принципе, все «сферические червоточины в вакууме» нестабильны, закрываясь в тот же миг, когда они открываются. Единственный способ сохранить их открытыми и проходимыми — это использовать экзотическую форму материи с так называемой «отрицательной массой». Такая экзотическая материя обладает необычными свойствами — например, улетает из стандартного гравитационного поля вместо того, чтобы падать в него, как нормальная материя. Никто не знает, существует ли такая экзотическая материя на самом деле.

Во многих отношениях червоточина напоминает черную дыру. Оба типа объектов необычайно плотные и обладают мощным гравитационным полем для своих размеров. Главное отличие состоит в том, что ни один объект теоретически не может вернуться после пересечения горизонта событий черной дыры — сферы, в которой скорость, необходимая для выхода из гравитационного поля черной дыры, превышает скорость света, тогда как любой объект, входящий в червоточину, теоретически может повернуть вспять.

Предполагая, что червоточины могут существовать, ученые смоделировали гравитационные сигналы, генерируемые, когда черная дыра вращается вокруг червоточины, и описали результаты в новой статье, которая еще не была рецензирована. Исследователи также рассчитали, что может произойти, когда черная дыра входит в одно устье червоточины, после чего выходит из другого устья червоточины в другую точку пространства-времени, а затем — предполагая, что черная дыра и червоточина гравитационно связаны друг с другом — падает обратно в червоточину и выходит с первоначальной стороны.

Читайте так же:
Как делают автоцистерны

Побег невозможен

В своих компьютерных моделях исследователи проанализировали взаимодействие между черной дырой, в пять раз превышающей массу Солнца, и устойчивой проходимой червоточиной, в 200 раз превышающей массу Солнца, с горловиной в 60 раз шире черной дыры. Эти модели предполагают, что гравитационные сигналы, непохожие на все виденные до сих пор, будут возникать, когда черная дыра входит и выходит из червоточины.

Когда две черные дыры сближаются по спирали, их орбитальные скорости увеличиваются, подобно вращающимся фигуристам, которые подтягивают руки ближе к телу. В свою очередь, частота гравитационных волн возрастает. Если бы кто-то наблюдал, как черная дыра по спирали входит в червоточину, он увидел бы сигнал, очень похожий на встречу двух черных дыр, но его составляющая от черной дыры быстро исчезла бы, поскольку она стала бы излучать гравитационные волны на другой стороне червоточины. С другой стороны, если бы кто-то наблюдал, как черная дыра выходит из червоточины, он смог бы уловить «антисигнал». В частности, частота гравитационных волн от черной дыры будет уменьшаться по мере того, как она удаляется от червоточины.

Линия показывает теоретическую траекторию движения черной дыры в червоточине.

Поскольку черная дыра продолжит путешествовать через устья червоточины туда-обратно, она будет генерировать цикл сигнал-антисигнал. Промежуток времени между ними будет сокращаться с течением времени, пока черная дыра не застрянет в горловине червоточины. Обнаружение такого рода гравитационных сигналов может подтвердить существование червоточин.

«Хотя кротовые норы очень, очень спекулятивны, тот факт, что мы можем иметь возможность доказать или хотя бы поверить в их существование, довольно крут», — сказал соавтор исследования Уильям Габелла, физик из Университета Вандербильта в Нэшвилле.

В конечном счете, черная дыра перестанет падать в червоточину и остановится около ее горловины. Последствия такого финала зависят от совершенно умозрительных свойств экзотической материи, которая там находится. Одна из возможностей состоит в том, что черная дыра ощутимо увеличит массу червоточины, и последняя может не обладать достаточным количеством экзотической материи, чтобы оставаться стабильной. Также возможно, что в результате нарушения пространственно-временного равновесия черная дыра преобразует свою массу в энергию в виде необычайного количества гравитационных волн, сказал Габелла.

Пока червоточина имеет большую массу, чем любая черная дыра, с которой она сталкивается, она должна оставаться стабильной. Если червоточина сталкивается с более крупной черной дырой, последняя может нарушить экзотическое состояние червоточины и тем самым дестабилизировать ее, заставив коллапсировать и, вероятно, сформировать новую черную дыру, сказал Габелла.

Остается неясным, что может произойти, если черная дыра только «чиркнет» по краю червоточины, причем часть черной дыры войдет в горловину червоточины, а остальная часть останется снаружи. «Я подозреваю, что на горизонте событий черной дыры будет происходить какое-то безумное поведение, приводящее к еще большим гравитационным волнам и большим потерям энергии», — сказал Габелла. Такое столкновение может также нарушить экзотическую материю червоточины, «что приведет к ее нестабильности», добавил он.

В будущих исследованиях имеет смысл рассмотреть взаимодействие между экзотической материей червоточины и любой нормальной материей, входящей в червоточину, а также более сложные сценарии — например, с вращающейся червоточиной, сказал Габелла. Другие исследования могут быть направлены на выяснение того, как гравитационные волны взаимодействуют как с нормальной, так и с экзотической материей в различных сценариях, а также на обсчет «разнообразия орбит, которые могут возникнуть при движении червоточин с другими объектами», добавил он.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию