Lubang hitam.

Lubang hitam dalam ilmu fisika diartikan sebagai suatu wilayah dalam ruang-waktu yang daya tarik gravitasinya begitu kuat sehingga benda-benda yang bergerak dengan kecepatan cahaya, termasuk kuanta cahaya itu sendiri, tidak dapat meninggalkannya. Batas wilayah ini disebut cakrawala peristiwa, dan ukuran karakteristiknya adalah radius gravitasi, yang disebut radius Black Forest. Lubang hitam adalah objek paling misterius di alam semesta. Nama malang mereka berasal dari astrofisikawan Amerika John Wheeler. Dialah yang, dalam kuliah populer “Alam Semesta Kita: Dikenal dan Tidak Diketahui” pada tahun 1967, menyebut benda-benda superpadat ini sebagai lubang. Sebelumnya, objek seperti itu disebut “bintang runtuh” atau “runtuh”. Namun istilah “lubang hitam” telah mengakar dan tidak mungkin diubah. Ada dua jenis lubang hitam di Alam Semesta: 1 – lubang hitam supermasif, yang massanya jutaan kali lebih besar dari massa Matahari (benda-benda tersebut diyakini terletak di pusat galaksi); 2 – lubang hitam yang kurang masif yang muncul akibat kompresi bintang-bintang raksasa yang sekarat, massanya lebih dari tiga massa matahari; Saat bintang berkontraksi, materi menjadi semakin padat dan akibatnya gravitasi suatu benda meningkat sedemikian rupa sehingga cahaya tidak dapat mengatasinya. Baik radiasi maupun materi tidak dapat lolos dari lubang hitam. Lubang hitam adalah gravitasi yang sangat kuat.

Jari-jari yang harus dikecilkan oleh sebuah bintang untuk menjadi lubang hitam disebut jari-jari gravitasi. Untuk lubang hitam yang terbentuk dari bintang, jaraknya hanya beberapa puluh kilometer. Pada beberapa pasang bintang ganda, salah satunya tidak terlihat dengan teleskop paling kuat, tetapi massa komponen yang tidak terlihat dalam sistem gravitasi tersebut ternyata sangat besar. Kemungkinan besar, objek tersebut adalah bintang neutron atau lubang hitam. Terkadang komponen tak kasat mata yang berpasangan tersebut menghilangkan material dari bintang normal. Dalam hal ini, gas dipisahkan dari lapisan luar bintang yang terlihat dan jatuh ke tempat yang tidak diketahui - ke dalam lubang hitam yang tidak terlihat. Namun sebelum jatuh ke dalam lubang, gas tersebut memancarkan gelombang elektromagnetik dengan panjang yang sangat berbeda, termasuk gelombang sinar-X yang sangat pendek. Selain itu, di dekat bintang neutron atau lubang hitam, gas menjadi sangat panas dan menjadi sumber radiasi elektromagnetik berenergi tinggi yang kuat dalam rentang sinar-X dan sinar gamma. Radiasi tersebut tidak melewati atmosfer bumi, tetapi dapat diamati dengan menggunakan teleskop luar angkasa. Salah satu kandidat lubang hitam adalah sumber sinar-X yang kuat di konstelasi Cygnus.

S.TRANKOVSKY

Di antara masalah fisika dan astrofisika modern yang paling penting dan menarik, Akademisi V.L. Ginzburg menyebutkan masalah yang berkaitan dengan lubang hitam (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 11, 12, 1999). Keberadaan benda-benda aneh ini telah diprediksi lebih dari dua ratus tahun yang lalu, kondisi yang mengarah pada pembentukannya dihitung secara tepat pada akhir tahun 30-an abad ke-20, dan astrofisika mulai mempelajarinya secara serius kurang dari empat puluh tahun yang lalu. Saat ini, jurnal ilmiah di seluruh dunia setiap tahunnya menerbitkan ribuan artikel tentang lubang hitam.

Terbentuknya lubang hitam bisa terjadi melalui tiga cara.

Ini adalah cara yang lazim untuk menggambarkan proses yang terjadi di sekitar lubang hitam yang runtuh. Seiring waktu (Y), ruang (X) di sekitarnya (area yang diarsir) menyusut, menuju singularitas.

Medan gravitasi lubang hitam menimbulkan distorsi parah pada geometri ruang.

Sebuah lubang hitam, yang tidak terlihat melalui teleskop, hanya terlihat melalui pengaruh gravitasinya.

Dalam medan gravitasi lubang hitam yang kuat, lahirlah pasangan partikel-antipartikel.

Lahirnya pasangan partikel-antipartikel di laboratorium.

BAGAIMANA MEREKA MUNCUL

Benda langit yang bercahaya, yang mempunyai massa jenis sama dengan Bumi, dan diameter dua ratus lima puluh kali lebih besar dari diameter Matahari, karena gaya gravitasinya, tidak akan membiarkan cahayanya mencapai kita. Dengan demikian, ada kemungkinan bahwa benda-benda bercahaya terbesar di Alam Semesta tetap tidak terlihat justru karena ukurannya.
Pierre Simon Laplace.
Eksposisi sistem dunia. 1796

Pada tahun 1783, ahli matematika Inggris John Mitchell, dan tiga belas tahun kemudian, secara terpisah dari dia, astronom dan matematikawan Perancis Pierre Simon Laplace, melakukan penelitian yang sangat aneh. Mereka mengamati kondisi di mana cahaya tidak bisa lepas dari bintang.

Logika para ilmuwan itu sederhana. Untuk objek astronomi apa pun (planet atau bintang), dimungkinkan untuk menghitung apa yang disebut kecepatan lepas, atau kecepatan kosmik kedua, yang memungkinkan benda atau partikel meninggalkannya selamanya. Dan dalam fisika pada masa itu, teori Newton berkuasa, yang menyatakan bahwa cahaya adalah aliran partikel (teori gelombang elektromagnetik dan kuanta masih ada hampir seratus lima puluh tahun lagi). Kecepatan lepas partikel dapat dihitung berdasarkan persamaan energi potensial di permukaan planet dan energi kinetik suatu benda yang “melarikan diri” ke jarak yang sangat jauh. Kecepatan ini ditentukan oleh rumus #1#

Di mana M- massa benda luar angkasa, R- radiusnya, G- konstanta gravitasi.

Dari sini kita dapat dengan mudah memperoleh jari-jari suatu benda dengan massa tertentu (yang kemudian disebut “jari-jari gravitasi” R g "), yang kecepatan lepasnya sama dengan kecepatan cahaya:

Artinya sebuah bintang dikompres menjadi bola dengan radius R G< 2GM/C 2 akan berhenti memancarkan - cahaya tidak akan bisa meninggalkannya. Sebuah lubang hitam akan muncul di alam semesta.

Mudah untuk menghitung bahwa Matahari (massanya 2,1033 g) akan berubah menjadi lubang hitam jika berkontraksi hingga radius kurang lebih 3 kilometer. Massa jenis zatnya akan mencapai 10 16 g/cm 3 . Jari-jari Bumi, yang terkompresi menjadi lubang hitam, akan mengecil menjadi sekitar satu sentimeter.

Rasanya luar biasa bahwa ada kekuatan di alam yang mampu memampatkan sebuah bintang hingga ukurannya yang begitu kecil. Oleh karena itu, kesimpulan dari karya Mitchell dan Laplace selama lebih dari seratus tahun dianggap sebagai paradoks matematika yang tidak memiliki makna fisik.

Bukti matematis yang kuat bahwa objek eksotik di luar angkasa itu mungkin terjadi baru diperoleh pada tahun 1916. Astronom Jerman Karl Schwarzschild, setelah menganalisis persamaan teori relativitas umum Albert Einstein, memperoleh hasil yang menarik. Setelah mempelajari gerak partikel dalam medan gravitasi suatu benda masif, ia sampai pada kesimpulan: persamaan tersebut kehilangan makna fisiknya (solusinya berubah menjadi tak terhingga) ketika R= 0 dan R = R G.

Titik-titik di mana ciri-ciri medan menjadi tidak berarti disebut tunggal, yaitu khusus. Singularitas pada titik nol mencerminkan struktur medan yang simetris secara terpusat, atau, yang sama saja, (bagaimanapun juga, benda bulat apa pun - bintang atau planet - dapat direpresentasikan sebagai titik material). Dan titik-titik yang terletak pada permukaan bola dengan radius R g, membentuk permukaan yang kecepatan lepasnya sama dengan kecepatan cahaya. Dalam teori relativitas umum disebut lingkup tunggal Schwarzschild atau cakrawala peristiwa (alasannya akan menjadi jelas nanti).

Berdasarkan contoh benda yang kita kenal - Bumi dan Matahari - jelas terlihat bahwa lubang hitam adalah benda yang sangat aneh. Bahkan para astronom yang menangani materi pada suhu, kepadatan, dan tekanan ekstrem menganggapnya sangat eksotik, dan hingga saat ini tidak semua orang percaya akan keberadaannya. Namun, indikasi pertama kemungkinan terbentuknya lubang hitam sudah terdapat dalam teori relativitas umum A. Einstein, yang diciptakan pada tahun 1915. Astronom Inggris Arthur Eddington, salah satu penafsir dan pemopuler pertama teori relativitas, pada tahun 30an menurunkan sistem persamaan yang menggambarkan struktur internal bintang. Oleh karena itu, bintang berada dalam kesetimbangan di bawah pengaruh gaya gravitasi yang berlawanan arah dan tekanan internal yang diciptakan oleh pergerakan partikel plasma panas di dalam bintang dan tekanan radiasi yang dihasilkan di kedalamannya. Artinya bintang adalah bola gas, yang di tengahnya terdapat suhu tinggi, yang berangsur-angsur menurun ke arah pinggiran. Dari persamaan tersebut, khususnya, dapat disimpulkan bahwa suhu permukaan Matahari adalah sekitar 5.500 derajat (yang cukup konsisten dengan data pengukuran astronomi), dan di pusatnya seharusnya sekitar 10 juta derajat. Hal ini memungkinkan Eddington untuk membuat kesimpulan kenabian: pada suhu ini, reaksi termonuklir “menyala”, cukup untuk menjamin cahaya Matahari. Fisikawan atom pada masa itu tidak setuju dengan hal ini. Bagi mereka, kedalaman bintang tampak terlalu “dingin”: suhu di sana tidak cukup untuk membuat reaksi “berjalan”. Terhadap hal ini ahli teori yang marah itu menjawab: “Carilah tempat yang lebih panas!”

Dan pada akhirnya, dia ternyata benar: reaksi termonuklir benar-benar terjadi di pusat bintang (hal lain adalah apa yang disebut “model surya standar”, berdasarkan gagasan tentang fusi termonuklir, ternyata ternyata benar. salah - lihat, misalnya, “Ilmu pengetahuan dan kehidupan" No. 2, 3, 2000). Namun demikian, reaksi terjadi di pusat bintang, bintang bersinar, dan radiasi yang dihasilkan menjaganya tetap stabil. Namun “bahan bakar” nuklir di bintang tersebut habis terbakar. Pelepasan energi berhenti, radiasi padam, dan gaya yang menahan tarikan gravitasi menghilang. Ada batasan massa sebuah bintang, setelah itu bintang tersebut mulai menyusut secara permanen. Perhitungan menunjukkan bahwa hal ini terjadi jika massa bintang melebihi dua hingga tiga massa matahari.

KERUGIAN GRAVITASI

Pada awalnya, laju kontraksi bintang kecil, namun lajunya terus meningkat, karena gaya gravitasi berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Kompresi menjadi tidak dapat diubah; tidak ada kekuatan yang mampu melawan gravitasi diri. Proses ini disebut keruntuhan gravitasi. Kecepatan pergerakan cangkang bintang menuju pusatnya meningkat mendekati kecepatan cahaya. Dan di sini pengaruh teori relativitas mulai berperan.

Kecepatan lepas dihitung berdasarkan gagasan Newton tentang sifat cahaya. Dari sudut pandang relativitas umum, fenomena di sekitar bintang yang runtuh terjadi dengan cara yang agak berbeda. Dalam medan gravitasinya yang kuat, terjadi apa yang disebut pergeseran merah gravitasi. Artinya frekuensi radiasi yang datang dari suatu benda masif dialihkan ke frekuensi yang lebih rendah. Pada batasnya, pada batas bola Schwarzschild, frekuensi radiasi menjadi nol. Artinya, pengamat yang berada di luarnya tidak akan bisa mengetahui apa pun tentang apa yang terjadi di dalamnya. Itulah sebabnya bidang Schwarzschild disebut cakrawala peristiwa.

Namun menurunkan frekuensi sama dengan memperlambat waktu, dan ketika frekuensi menjadi nol, waktu berhenti. Artinya, pengamat luar akan melihat gambaran yang sangat aneh: cangkang sebuah bintang, yang jatuh dengan percepatan yang semakin besar, berhenti alih-alih mencapai kecepatan cahaya. Dari sudut pandangnya, kompresi akan berhenti segera setelah ukuran bintang mendekati gravitasi
biasa. Dia tidak akan pernah melihat satu partikel pun “menyelam” di bawah bola Schwarzschiel. Namun bagi pengamat hipotetis yang jatuh ke dalam lubang hitam, semuanya akan berakhir dalam hitungan detik saja. Jadi, waktu keruntuhan gravitasi sebuah bintang seukuran Matahari adalah 29 menit, dan bintang neutron yang jauh lebih padat dan kompak hanya membutuhkan waktu 1/20.000 detik. Dan di sini dia menghadapi masalah terkait geometri ruang-waktu di dekat lubang hitam.

Pengamat menemukan dirinya berada dalam ruang melengkung. Mendekati radius gravitasi, gaya gravitasi menjadi sangat besar; mereka merentangkan roket bersama astronot-pengamat menjadi benang tipis tak terhingga dengan panjang tak terhingga. Tetapi dia sendiri tidak akan menyadarinya: semua deformasinya akan berhubungan dengan distorsi koordinat ruang-waktu. Pertimbangan-pertimbangan ini tentu saja mengacu pada kasus ideal dan hipotetis. Benda nyata mana pun akan terkoyak oleh gaya pasang surut jauh sebelum mendekati bola Schwarzschild.

DIMENSI LUBANG HITAM

Ukuran lubang hitam, atau lebih tepatnya jari-jari bola Schwarzschild, sebanding dengan massa bintang. Dan karena astrofisika tidak membatasi ukuran sebuah bintang, lubang hitam bisa saja berukuran besar. Jika, misalnya, ia muncul ketika sebuah bintang bermassa 10 8 massa matahari (atau karena penggabungan ratusan ribu, atau bahkan jutaan bintang yang relatif kecil), radiusnya akan menjadi sekitar 300 juta kilometer, dua kali orbit bumi. Dan massa jenis rata-rata zat sebesar itu mendekati massa jenis air.

Rupanya, lubang hitam inilah yang ditemukan di pusat galaksi. Bagaimanapun, para astronom saat ini menghitung sekitar lima puluh galaksi, yang di tengahnya, dilihat dari bukti tidak langsung (dibahas di bawah), terdapat lubang hitam dengan massa sekitar satu miliar (10 9) matahari. Galaksi kita juga rupanya memiliki lubang hitamnya sendiri; Massanya diperkirakan cukup akurat - 2,4. 10 6 ±10% massa Matahari.

Teori tersebut menyatakan bahwa bersama dengan super raksasa tersebut, lubang mini hitam dengan massa sekitar 10 14 g dan radius sekitar 10 -12 cm (seukuran inti atom) juga akan muncul. Mereka bisa saja muncul pada saat-saat pertama keberadaan Alam Semesta sebagai manifestasi dari ketidakhomogenan ruang-waktu yang sangat kuat dengan kepadatan energi yang sangat besar. Kondisi yang ada di Alam Semesta saat itu kini disadari oleh para peneliti di strong collider (akselerator yang menggunakan balok yang bertabrakan). Percobaan di CERN awal tahun ini menghasilkan plasma quark-gluon – materi yang sudah ada sebelum munculnya partikel elementer. Penelitian mengenai keadaan ini berlanjut di Brookhaven, pusat akselerator Amerika. Ia mampu mempercepat partikel ke energi satu setengah hingga dua kali lipat lebih tinggi daripada akselerator
CERN. Eksperimen yang akan datang telah menimbulkan kekhawatiran serius: akankah lubang hitam mini muncul selama implementasinya, yang akan membengkokkan ruang angkasa dan menghancurkan Bumi?

Ketakutan ini bergaung begitu kuat sehingga pemerintah AS terpaksa membentuk komisi yang berwenang untuk mengkaji kemungkinan ini. Sebuah komisi yang terdiri dari peneliti terkemuka menyimpulkan: energi akselerator terlalu rendah untuk memunculkan lubang hitam (percobaan ini dijelaskan dalam jurnal Science and Life, No. 3, 2000).

BAGAIMANA MELIHAT YANG TAK TERLIHAT

Lubang hitam tidak memancarkan apa pun, bahkan cahaya pun tidak. Namun, para astronom telah belajar untuk melihatnya, atau lebih tepatnya, menemukan “kandidat” untuk peran ini. Ada tiga cara untuk mendeteksi lubang hitam.

1. Perlu dilakukan pemantauan terhadap perputaran bintang-bintang dalam gugusan di sekitar pusat gravitasi tertentu. Jika ternyata tidak ada apa pun di pusat ini, dan bintang-bintang tampak berputar mengelilingi ruang kosong, kita dapat mengatakan dengan yakin: di “kekosongan” ini terdapat lubang hitam. Atas dasar inilah keberadaan lubang hitam di pusat Galaksi kita diasumsikan dan massanya diperkirakan.

2. Lubang hitam secara aktif menyedot materi dari ruang sekitarnya. Debu antarbintang, gas, dan materi dari bintang-bintang terdekat jatuh ke dalamnya dalam bentuk spiral, membentuk apa yang disebut piringan akresi, mirip dengan cincin Saturnus. (Inilah tepatnya orang-orangan sawah dalam eksperimen Brookhaven: lubang hitam mini yang muncul di akselerator akan mulai menyedot Bumi ke dalam dirinya sendiri, dan proses ini tidak dapat dihentikan oleh kekuatan apa pun.) Mendekati bola Schwarzschild, partikel-partikel tersebut mengalami pengalaman akselerasi dan mulai memancarkan dalam rentang sinar-X. Radiasi ini memiliki spektrum karakteristik yang mirip dengan radiasi partikel yang dipercepat dalam sinkrotron yang telah dipelajari dengan baik. Dan jika radiasi tersebut berasal dari suatu wilayah di Alam Semesta, kita dapat mengatakan dengan yakin bahwa pasti ada lubang hitam di sana.

3. Ketika dua lubang hitam bergabung, terjadi radiasi gravitasi. Diperkirakan jika massa masing-masing sekitar sepuluh massa matahari, maka ketika mereka bergabung dalam hitungan jam, energi yang setara dengan 1% dari total massanya akan dilepaskan dalam bentuk gelombang gravitasi. Ini seribu kali lebih banyak daripada cahaya, panas, dan energi lain yang dipancarkan Matahari selama keberadaannya - lima miliar tahun. Mereka berharap untuk mendeteksi radiasi gravitasi dengan bantuan observatorium gelombang gravitasi LIGO dan lainnya, yang sekarang sedang dibangun di Amerika dan Eropa dengan partisipasi para peneliti Rusia (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 5, 2000).

Namun, meskipun para astronom tidak meragukan keberadaan lubang hitam, tidak ada yang berani menyatakan dengan pasti bahwa salah satu lubang hitam terletak pada titik tertentu di ruang angkasa. Etika ilmiah dan integritas peneliti memerlukan jawaban yang jelas atas pertanyaan yang diajukan, tidak menoleransi perbedaan. Memperkirakan massa suatu benda tidak cukup saja; Anda perlu mengukur jari-jarinya dan menunjukkan bahwa benda tersebut tidak melebihi jari-jari Schwarzschild. Dan bahkan di dalam Galaksi kita, masalah ini belum terpecahkan. Itulah sebabnya para ilmuwan menunjukkan pengekangan tertentu dalam melaporkan penemuan mereka, dan jurnal ilmiah benar-benar dipenuhi dengan laporan karya teoretis dan pengamatan terhadap efek yang dapat menjelaskan misteri mereka.

Namun, lubang hitam memiliki satu sifat lagi, yang diprediksi secara teoritis, yang memungkinkan untuk melihatnya. Namun, dengan satu syarat: massa lubang hitam harus jauh lebih kecil daripada massa Matahari.

LUBANG HITAM JUGA BISA MENJADI “PUTIH”

Untuk waktu yang lama, lubang hitam dianggap sebagai perwujudan kegelapan, benda-benda yang dalam ruang hampa, jika tidak ada penyerapan materi, tidak mengeluarkan apa pun. Namun, pada tahun 1974, ahli teori terkenal Inggris Stephen Hawking menunjukkan bahwa lubang hitam dapat ditentukan suhunya, dan oleh karena itu harus memancarkan radiasi.

Menurut konsep mekanika kuantum, ruang hampa bukanlah kekosongan, melainkan semacam “busa ruang-waktu”, sebuah campuran partikel virtual (yang tidak dapat diamati di dunia kita). Namun, fluktuasi energi kuantum dapat “mengeluarkan” pasangan partikel-antipartikel dari ruang hampa. Misalnya, ketika dua atau tiga kuanta gamma bertabrakan, sebuah elektron dan positron akan muncul seolah-olah dari ketiadaan. Fenomena ini dan fenomena serupa telah berulang kali diamati di laboratorium.

Fluktuasi kuantumlah yang menentukan proses radiasi lubang hitam. Jika sepasang partikel dengan energi E Dan -E(energi total pasangan adalah nol) terjadi di sekitar bola Schwarzschild, nasib partikel selanjutnya akan berbeda. Mereka dapat langsung musnah atau bersama-sama berada di bawah cakrawala peristiwa. Dalam hal ini, keadaan lubang hitam tidak akan berubah. Namun jika hanya satu partikel yang berada di bawah cakrawala, pengamat akan melihat partikel lainnya, dan ia akan mengira bahwa partikel tersebut dihasilkan oleh lubang hitam. Pada saat yang sama, lubang hitam menyerap partikel dengan energi -E, akan mengurangi energi Anda, dan dengan energi E- akan meningkat.

Hawking menghitung laju terjadinya semua proses ini dan sampai pada kesimpulan: kemungkinan penyerapan partikel dengan energi negatif lebih tinggi. Ini berarti lubang hitam kehilangan energi dan massa - ia menguap. Selain itu, ia memancar sebagai benda yang benar-benar hitam dengan suhu T = 6 . 10 -8 M Dengan / M kelvin, dimana M c - massa Matahari (2,10 33 g), M- massa lubang hitam. Hubungan sederhana ini menunjukkan bahwa suhu lubang hitam yang bermassa enam kali matahari sama dengan seperseratus juta derajat. Jelas bahwa benda dingin seperti itu praktis tidak mengeluarkan apa pun, dan semua alasan di atas tetap berlaku. Masalah lain adalah lubang mini. Sangat mudah untuk melihat bahwa dengan massa 10 14 -10 30 gram, mereka dipanaskan hingga puluhan ribu derajat dan panas membara! Namun perlu segera dicatat bahwa tidak ada kontradiksi dengan sifat-sifat lubang hitam: radiasi ini dipancarkan oleh lapisan di atas bola Schwarzschild, dan bukan di bawahnya.

Jadi, lubang hitam, yang tampaknya merupakan benda yang membeku selamanya, cepat atau lambat akan menghilang dan menguap. Terlebih lagi, seiring dengan “penurunan berat badan”, laju penguapan meningkat, namun hal ini masih memerlukan waktu yang sangat lama. Diperkirakan lubang mini seberat 10 14 gram, yang muncul segera setelah Big Bang 10-15 miliar tahun lalu, akan menguap seluruhnya pada zaman kita. Pada tahap terakhir kehidupan, suhunya mencapai nilai yang sangat besar, sehingga produk penguapannya pasti berupa partikel dengan energi yang sangat tinggi. Mungkin merekalah yang menghasilkan hujan udara yang meluas di atmosfer bumi – EAS. Bagaimanapun, asal usul partikel berenergi sangat tinggi adalah masalah penting dan menarik lainnya yang mungkin terkait erat dengan pertanyaan yang sama menariknya dalam fisika lubang hitam.

Fisikawan berpendapat bahwa alam semesta kita ada di dalam lubang hitam 21 November 2014

Kami mendiskusikan sesuatu seperti ini. Dan kini ternyata telah muncul sebuah teori yang menyatakan bahwa Alam Semesta kita ada di dalam lubang hitam

Teori aneh ini, yang telah dikembangkan oleh para fisikawan selama beberapa dekade, dapat menjelaskan banyak pertanyaan yang tidak dapat dijawab oleh teori Big Bang yang terkenal.

Menurut teori Big Bang, sebelum Alam Semesta mulai mengembang, alam semesta berada dalam keadaan tunggal—yaitu, konsentrasi materi yang sangat kecil terkandung dalam suatu titik yang sangat kecil di ruang angkasa. Teori ini membantu menjelaskan, misalnya, mengapa materi yang sangat padat di alam semesta awal mulai mengembang melalui ruang angkasa dengan kecepatan luar biasa dan membentuk benda langit, galaksi, dan gugusan galaksi.
Namun pada saat yang sama, hal ini masih menyisakan banyak pertanyaan penting yang belum terjawab. Apa yang memicu terjadinya Big Bang itu sendiri?

Apa sumber materi gelap misterius?

Teori bahwa Alam Semesta kita berada di dalam lubang hitam dapat memberikan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dan banyak pertanyaan lainnya. Selain itu, ia menggabungkan prinsip-prinsip dua teori utama fisika modern: relativitas umum dan mekanika kuantum.

Relativitas umum menggambarkan alam semesta dalam skala terbesar dan menjelaskan bagaimana medan gravitasi benda masif seperti Matahari membengkokkan ruang dan waktu. Dan mekanika kuantum menggambarkan Alam Semesta pada skala terkecil - pada tingkat atom. Misalnya, ini memperhitungkan karakteristik penting partikel seperti putaran (rotasi).

Idenya adalah bahwa perputaran suatu partikel berinteraksi dengan waktu kosmik dan memberikan sifat yang disebut “torsi”. Untuk memahami apa itu batang torsi, bayangkan waktu kosmik dalam bentuk batang fleksibel. Membengkokkan batang akan melambangkan kelengkungan waktu kosmis, dan memutar akan melambangkan puntiran ruang-waktu.
Jika batangnya sangat tipis, Anda dapat menekuknya, tetapi akan sangat sulit untuk melihat apakah batangnya terpelintir atau tidak. Torsi ruang-waktu hanya dapat terlihat dalam kondisi ekstrem - pada tahap awal keberadaan Alam Semesta, atau di lubang hitam, di mana ia akan memanifestasikan dirinya sebagai gaya tolak yang berlawanan dengan gaya tarik gravitasi yang berasal dari kelengkungan. ruang-waktu.

Sebagai berikut dari teori relativitas umum, benda-benda yang sangat masif mengakhiri keberadaannya dengan jatuh ke dalam lubang hitam - wilayah ruang dimana tidak ada apapun, bahkan cahaya, yang dapat melarikan diri.

Pada awal keberadaan Alam Semesta, gaya tarik gravitasi yang disebabkan oleh kelengkungan ruang akan melebihi gaya tolak menolak batang puntir, sehingga materi akan terkompresi. Namun kemudian batang torsi akan menjadi lebih kuat dan mulai mencegah kompresi materi hingga kepadatan tak terbatas. Dan karena energi memiliki kemampuan untuk berubah menjadi massa, tingkat energi gravitasi yang sangat tinggi dalam keadaan ini akan menyebabkan pembentukan partikel yang intens, yang menyebabkan massa di dalam lubang hitam bertambah.

Dengan demikian, mekanisme puntiran ini menunjukkan perkembangan skenario yang mengejutkan: setiap lubang hitam harus menghasilkan alam semesta baru di dalam dirinya sendiri.

Jika teori ini benar, maka materi penyusun Alam Semesta kita juga dibawa dari suatu tempat di luar. Lalu milik kita
Alam Semesta juga harus terbentuk di dalam lubang hitam yang ada di Alam Semesta lain, yang merupakan “induk” kita.

Pergerakan materi selalu terjadi hanya dalam satu arah, yang menjamin arah waktu, yang kita anggap sebagai gerak maju. Dengan demikian, panah waktu di Alam Semesta kita juga diwarisi dari Alam Semesta “induknya”.

Di sini Anda dan saya membicarakannya, dan di sini kita melihat dan mempelajarinya Artikel asli ada di website InfoGlaz.rf Tautan ke artikel tempat salinan ini dibuat -

Fyodor Dergachev

Lubang hitam dengan massa alam semesta?

Saat membandingkan fisika lubang hitam dan proses Big Bang, saya punya pertanyaan. Saya ingin melihatnya secara detail di salah satu bagian selanjutnya dari artikel baru saya. "Bumi dan Alam Semesta" , yang mulai dia terbitkan di LiveJournal:

Bagian 1

Dari perbandingan di atas, ternyata pada detik-detik pertama setelah Big Bang, materi penyusun Alam Semesta yang teramati berada dalam kondisi serupa dengan yang dijelaskan oleh teori lubang hitam!

Namun saya tidak menutup kemungkinan bahwa saya tidak memperhitungkan sesuatu saat merumuskan pertanyaan. saya tunggu tanggapannya...

Lubang hitam

“Jika efek teori relativitas khusus menjadi paling jelas pada pergerakan benda dengan kecepatan tinggi, maka teori relativitas umum mulai berlaku ketika benda memiliki massa yang sangat besar dan menyebabkan kelengkungan ruang dan waktu yang kuat.
...Sebuah penemuan yang dibuat selama Perang Dunia Pertama oleh astronom Jerman Karl Schwarzschild, ketika dia, saat berada di front Rusia pada tahun 1916, di sela-sela menghitung lintasan peluru artileri, mengetahui pencapaian Einstein di bidang gravitasi. Sungguh menakjubkan bahwa hanya beberapa bulan setelah Einstein memberikan sentuhan akhir pada kanvas relativitas umum, Schwarzschild mampu menggunakan teori ini untuk memperoleh gambaran yang lengkap dan akurat tentang bagaimana ruang dan waktu membengkok di sekitar bintang yang berbentuk bola sempurna. Schwarzschild mengirimkan hasilnya dari front Rusia ke Einstein, yang, atas instruksinya, mempresentasikannya ke Akademi Prusia.
Selain konfirmasi dan perhitungan kelengkungan yang akurat secara matematis, yang secara skematis kami tunjukkan pada Gambar. 3.5, karya Schwarzschild—sekarang dikenal sebagai "solusi Schwarzschild"—mengungkapkan satu konsekuensi mencolok dari relativitas umum. Telah terbukti bahwa jika massa bintang terkonsentrasi dalam wilayah bola yang cukup kecil (ketika rasio massa bintang terhadap jari-jarinya tidak melebihi nilai kritis tertentu), maka kelengkungan ruang-waktu yang dihasilkan akan sangat signifikan sehingga tidak ada benda (termasuk cahaya) yang berada cukup dekat dengan bintang, yang dapat lepas dari perangkap gravitasi ini. Karena cahaya pun tidak dapat lepas dari “bintang terkompresi” tersebut, maka mereka awalnya disebut bintang gelap, atau bintang beku. (Nama ini milik ilmuwan Soviet Ya. B. Zeldovich dan I. D. Novikov. - Ed.) Nama yang lebih menarik diusulkan bertahun-tahun kemudian oleh John Wheeler, yang menyebutnya lubang hitam - hitam karena tidak dapat memancarkan cahaya, dan lubang, karena benda apa pun yang mendekatinya pada jarak yang terlalu pendek tidak akan pernah kembali lagi. Nama ini sudah kokoh dan mapan. Solusi Schwarzschild diilustrasikan pada gambar. Meskipun lubang hitam dikenal "rakus", benda-benda yang melewatinya pada jarak yang aman akan dibelokkan dengan cara yang sama seperti jika dibelokkan oleh bintang biasa, dan melanjutkan perjalanannya. Namun benda apa pun yang berada terlalu dekat, lebih dekat dari jarak yang disebut cakrawala peristiwa lubang hitam, akan hancur - benda tersebut akan terus jatuh menuju pusat lubang hitam, terkena deformasi gravitasi yang semakin intens dan pada akhirnya merusak..

Lubang hitam membengkokkan struktur ruang-waktu di sekitarnya begitu kuat sehingga benda apa pun yang melintasi "cakrawala peristiwa" - yang ditandai dengan lingkaran hitam - tidak dapat lepas dari perangkap gravitasinya. Tidak ada yang tahu persis apa yang terjadi di kedalaman lubang hitam.

Jika, misalnya, Anda berenang menuju pusat lubang hitam terlebih dahulu, Anda akan merasakan ketidaknyamanan yang semakin besar saat melintasi cakrawala peristiwa. Tarikan gravitasi lubang hitam akan meningkat secara signifikan sehingga menarik kaki Anda jauh lebih kuat daripada kepala Anda (karena kaki Anda akan lebih dekat ke pusat lubang hitam daripada kepala Anda), sedemikian rupa sehingga itu dapat dengan cepat merobek tubuhmu berkeping-keping.
Jika Anda berhati-hati saat mengelilingi lubang hitam dan berhati-hati agar tidak melewati cakrawala peristiwanya, Anda dapat menggunakan lubang hitam untuk melakukan trik yang luar biasa. Bayangkan, misalnya, Anda menemukan lubang hitam bermassa 1000 kali massa Matahari, dan Anda meluncur turun, seperti yang dilakukan George ke Matahari, hingga ketinggian 3 cm di atas cakrawala peristiwa. Seperti yang telah kita catat, medan gravitasi menyebabkan waktu melengkung, yang berarti perjalanan waktu Anda akan melambat. Faktanya, karena lubang hitam memiliki medan gravitasi yang begitu kuat, waktu Anda akan sangat melambat. Jam Anda akan berjalan kira-kira sepuluh ribu kali lebih lambat dibandingkan jam teman Anda di Bumi. Jika Anda melayang di atas cakrawala peristiwa lubang hitam dalam posisi ini selama satu tahun, dan kemudian menaiki kabel kembali ke pesawat ruang angkasa yang menunggu di dekatnya untuk perjalanan pulang yang singkat namun menyenangkan, ketika Anda kembali, Anda akan menemukan bahwa lebih dari sepuluh ribu tahun telah berlalu. berlalu sejak kepergianmu. Anda dapat menggunakan lubang hitam sebagai semacam mesin waktu yang memungkinkan Anda melakukan perjalanan ke masa depan Bumi yang jauh.
Untuk memahami besarnya skala fenomena ini, perhatikan bahwa sebuah bintang dengan massa yang sama dengan massa Matahari akan menjadi lubang hitam jika radiusnya tidak sesuai dengan nilai yang diamati (sekitar 700.000 km), tetapi hanya sekitar 3km. Bayangkan seluruh Matahari kita menyusut hingga seukuran Manhattan. Satu sendok teh materi Matahari yang terkompresi akan seberat Gunung Everest. Untuk menjadikan Bumi kita lubang hitam, kita harus memampatkannya menjadi bola dengan radius kurang dari satu sentimeter. Sejak lama, para fisikawan merasa skeptis terhadap kemungkinan terjadinya keadaan materi yang ekstrem, banyak di antara mereka yang percaya bahwa lubang hitam hanyalah isapan jempol belaka dari imajinasi liar para ahli teori yang sudah terlalu banyak bekerja.
Namun, selama dekade terakhir, cukup banyak data observasi yang terkumpul yang mengkonfirmasi keberadaan lubang hitam. Tentu saja, karena berwarna hitam, mereka tidak dapat diamati secara langsung dengan mengamati langit menggunakan teleskop. Sebaliknya, para astronom mencoba mendeteksi lubang hitam melalui perilaku anomali bintang-bintang pemancar cahaya biasa yang terletak di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam. Misalnya, ketika partikel debu dan gas dari lapisan luar bintang biasa yang berdekatan dengan lubang hitam bergegas menuju cakrawala peristiwa lubang hitam, percepatannya hampir mencapai kecepatan cahaya. Pada kecepatan seperti itu, gesekan dalam pusaran gas-debu dari zat yang dihirup menyebabkan pelepasan sejumlah besar panas, menyebabkan campuran gas-debu bersinar, memancarkan cahaya tampak dan sinar-X biasa. Karena radiasi ini dihasilkan di luar cakrawala peristiwa, maka radiasi tersebut dapat terhindar dari jatuh ke dalam lubang hitam. Radiasi ini merambat di ruang angkasa dan dapat langsung diamati dan dipelajari. Relativitas umum memprediksi karakteristik sinar-X secara rinci; Pengamatan terhadap karakteristik yang diprediksi ini memberikan bukti yang kuat, meskipun tidak langsung, mengenai keberadaan lubang hitam. Misalnya, semakin banyak bukti bahwa lubang hitam yang sangat masif, dua setengah juta kali massa Matahari kita, terletak di pusat Galaksi kita. Namun lubang hitam rakus ini pun tidak ada apa-apanya jika dibandingkan dengan lubang hitam yang diyakini para astronom terletak di pusat quasar terang benderang yang tersebar di seluruh kosmos. Ini adalah lubang hitam yang massanya miliaran kali lebih besar dari massa Matahari.
Schwarzschild meninggal hanya beberapa bulan setelah dia menemukan solusinya. Dia meninggal karena penyakit kulit yang dideritanya di front Rusia. Dia berusia 42 tahun. Pertemuan singkatnya yang tragis dengan teori gravitasi Einstein mengungkap salah satu aspek kehidupan yang paling mencolok dan misterius di alam semesta.” (" ", halaman 31),

“Realitas teoretis yang disebut “lubang hitam”, yang dapat dibandingkan dengan neraka, pada dasarnya tetap teoretis, meskipun para astronom telah membentuk gambaran yang agak harmonis, sekilas, tentang fisika lubang hitam, alasan pembentukannya dan dampaknya pada kontinum ruang-waktu.

Pada dasarnya, para astronom menyebut lubang hitam bukan suatu objek fisik, melainkan suatu wilayah dalam ruang-waktu yang daya tarik gravitasinya begitu kuat sehingga tidak ada apa pun, bahkan cahaya, yang dapat menembus ke luar – di luar “cakrawala peristiwa”.

Teori yang dominan adalah bahwa lubang hitam muncul di lokasi bintang masif yang terbakar: ketika sebuah bintang runtuh, kepadatan materi menjadi sangat tinggi sehingga tarikan gravitasi di area tersebut mulai menarik materi di sekitarnya.”. (« » ).

“Seperti diketahui, sejauh ini hanya dua jenis lubang hitam yang tercatat berdasarkan pengamatan – bermassa bintang(terbentuk sebagai akibat dari keruntuhan gravitasi bintang-bintang masif) dan supermasif(yang menurut salah satu hipotesis, merupakan hasil penggabungan hipotesis sebelumnya). Tidak ada hipotesispembentukan lubang hitam supermasif tidak banyak dibuktikan, termasuk.hipotesis merger, yang pembuktiannya memerlukan setidaknya satu hipotesis yang diketahui secara andallubang hitam bermassa menengah."(Agustus 2008)

Lubang hitam adalah hasil keruntuhan gravitasi bintang-bintang masif. Mereka dijelaskan secara cukup rinci dalam literatur ilmiah dan populer.

Mekanisme “perangkap” adalah kelengkungan ruang-waktu di bawah pengaruh gaya gravitasi yang sangat besar. "DANKelengkungan ruangwaktu akan sangat signifikan sehingga tidak ada objek (termasuk cahaya) yang berada cukup dekat dengan bintang yang dapat lolos dari perangkap gravitasi ini.”

Big Bang dari sudut pandang teori “lubang hitam”

“Menurut semua teori Big Bang yang ada, pada awalnya Alam Semesta adalah sebuah titik di ruang angkasa dengan volume yang sangat kecil, yang memiliki kepadatan dan suhu yang sangat besar.”("Masalah Besar Big Bang. Singularitas yang Bermasalah").

“Meskipun sukses besar, cakrawala teori Big Bang masih jauh dari tidak berawan...

Tidak jelas mengapa, pada jarak yang sama, galaksi spiral selalu mengalami “pergeseran merah” yang lebih besar dibandingkan galaksi elips.(untuk lebih jelasnya, lihat buku V.P. Chechev, Ya.M. Kramarovsky “Radioaktivitas dan Evolusi Alam Semesta.” M., “Nauka”, 1978).

Akhirnya, baru-baru ini menjadi jelas bahwa kecepatan galaksi relatif terhadap latar belakang CMB sangat kecil.Mereka diukur bukan ribuan dan puluhan ribu kilometer per detik, sebagai berikut dari teori Alam Semesta yang mengembang, tapihanya ratusan kilometer per detik . Ternyata galaksi-galaksi tersebut praktis diam relatif terhadap latar belakang gelombang mikro kosmik Alam Semesta, yang karena sejumlah alasan dapat dianggap sebagai kerangka acuan mutlak galaksi.(untuk lebih jelasnya lihat buku “Pengembangan metode penelitian astronomi” (A.A. Efimov. “Astronomi dan prinsip relativitas”). M., “Science”, 1979, hal. 545).

Cara mengatasi kesulitan-kesulitan ini masih belum jelas.”(Siegel F.Yu. “The Substance of the Universe.” - M.; “Chemistry”, 1982, bagian “Pedigree of Chemical Elements”, bab “Synthesis of Elements”, hal. 166-167).

Setelah Big Bang

“Big Bang adalah penurunan cepat kepadatan, suhu, dan tekanan materi yang awalnya sangat besar dan terkonsentrasi di volume yang sangat kecil di Alam Semesta. Pada awalnya, Alam Semesta memiliki kepadatan dan suhu yang sangat besar. Pada detik pertama keberadaannya, dunia memiliki kepadatan ~10 5 g/cm 3 dan suhu 10 10 K. Suhu bintang terdekat kita, Matahari, saat ini seribu kali lebih rendah.
Dalam waktu singkat setelah Big Bang – hanya 10 -36 detik – alam semesta kecil dipenuhi partikel fundamental. Partikel-partikel ini, tidak seperti nuklida, proton, dan neutron, tidak dapat dibagi lagi. Proton dan neutron, bahan dasar materi nuklir, sebenarnya terdiri dari mereka. Ini adalah fermion fundamental yang berinteraksi satu sama lain melalui interaksi fundamental tunggal pada saat perkembangan Alam Semesta. Bagaimana interaksi ini terjadi? Melalui partikel. Mereka disebut boson. Ada empat di antaranya: satu foton (gamma kuantum), satu gluon, dan dua boson - W dan Z. Dan partikel fundamental itu sendiri, yaitu. fermion adalah enam jenis quark dan enam jenis lepton.
Kelompok partikel 12 fermion yang berinteraksi satu sama lain melalui 4 boson inilah yang sebenarnya merupakan cikal bakal Alam Semesta...

Sementara itu, mari kita kembali ke Alam Semesta yang mengembang pada saat-saat pertama keberadaannya.
Fisika modern percaya bahwa partikel - fermion dan boson, yang muncul segera setelah Big Bang, tidak dapat dibagi lagi. “Percaya” artinya belum ada informasi mengenai struktur internal mereka. Fermion dan boson tidak bermassa sekitar 10 -10 detik perkembangan Alam Semesta dan membentuk apa yang disebut “sup mendidih” dari Alam Semesta yang kecil. Mereka berinteraksi satu sama lain menurut hukum tunggal Unifikasi Besar.
Pada 10 -36 detik era Unifikasi Besar runtuh. Sifat interaksi partikel mulai berubah. Penggabungan partikel dan pembentukan partikel yang lebih berat tidak mungkin terjadi ketika Alam Semesta memiliki suhu yang tinggi.
Pendinginan alam semesta berlangsung selama 1 mikrodetik» . (M.I. Panasyuk “Pengembara Alam Semesta atau Gema Big Bang”).

Pertanyaan

Melihat Big Bang dari sudut pandang teori lubang hitam membawa hasil yang luar biasa. Jadi, " para astronom menyebutnya lubang hitam suatu wilayah dalam ruangwaktu di mana tarikan gravitasinya begitu kuat sehingga tidak ada apa pun, bahkan cahaya, yang dapat lolos».

Tetapi wilayah di mana materi terkonsentrasi pada saat-saat pertama setelah Big Bang seharusnya berada di wilayah tersebut. Lubang hitam terbesar (“supermasif”) (di pusat galaksi dan di quasar) mencapai massa jutaan kali lebih besar dari Matahari. Namun massa Alam Semesta teramati, menurut perkiraan modern, melebihi massa Matahari lebih dari 10^20 kali lipat - yaitu 100 triliun (1 triliun = 1 miliar miliar)! Saya bukan orang yang emosional, namun demikian, saya tidak tahu berapa banyak tanda seru yang harus saya berikan di sini.

Dan bukankah semua massa yang sangat besar ini menciptakan gaya gravitasi yang begitu dahsyat sehingga kelengkungan ruang-waktu tidak menyebabkan efek “lubang hitam”? Untuk materi yang mengembang selama Big Bang, waktu seharusnya melambat sedemikian rupa sehingga ia tetap tidak bisa lepas dari “cakrawala peristiwa”. Hal ini akan sepenuhnya menghilangkan “penghamburan” materi yang selanjutnya menjadi bagian alam semesta yang dapat diamati. Ada kontradiksi logis - entah sains salah memahami proses Big Bang, atau teori lubang hitam salah!

F.Dergachev “Sebuah lubang hitam dengan massa alam semesta?” Bagian 2

Acara

Lubang hitam masih menjadi misteri bagi para astronom. Mereka tidak hanya menyedot segala sesuatu di sekitar mereka, tetapi juga dapat merusak kontinum ruang-waktu. Saat diregangkan, mereka membentuk potongan kecil di bagian bawah. Banyak astronom ingin mengetahui apa yang ada di balik pemotongan ini. Einstein dan rekannya Rosen menyarankan hal itu Pecahnya satu lubang hitam dikaitkan dengan pecahnya lubang hitam lainnya. Benang penghubung yang diusulkan disebut jembatan Einstein-Rosen. Meskipun tidak ada hal serupa yang pernah diamati di Alam Semesta, teori ini menyarankan solusi terhadap masalah relativitas umum melalui kombinasi model lubang hitam dan putih.

Nikodem Poplawski, fisikawan teoretis dari Indiana University, mengusulkan skenario asal mula alam semesta kita dari sebuah celah, yang juga disebut jembatan Einstein-Rosen. Poplawski menggunakan sistem koordinat Euclid– koordinat isotropik – untuk menggambarkan medan gravitasi lubang hitam, dan memodelkan gerakan radial partikel besar di dalam lubang hitam.

Setelah mempelajari gerak partikel pada batas dua jenis lubang hitam - Einstein-Rosen dan Schwarzschild, Poplawski mencatat bahwa gerak di dalam lubang itu sendiri hanya dapat dipelajari secara eksperimental. Para astronom tidak dapat melihat apa yang terjadi di dalam lubang hitam dan Anda dapat mempelajari perilaku partikel hanya jika Anda mempelajarinya sendiri.

Seperti yang dikatakan Poplawski, hal ini mungkin terjadi jika alam semesta kita berada di dalam lubang hitam yang ada di alam semesta yang lebih besar dari alam semesta kita. Jika lubang hitam bisa terbentuk sebagai hasilnya pecahnya materi secara gravitasi, maka proses sebaliknya juga dimungkinkan. Proses ini dapat digambarkan sebagai ledakan lubang putih: materi muncul dari radius lubang hitam, seperti alam semesta yang mengembang.

Secara teoritis, lubang putih terhubung ke lubang hitam melalui jembatan Einstein-Rosen, dan secara hipotetis merupakan kebalikan dari lubang hitam untuk sementara. Dalam karyanya, Poplawski mengemukakan hal itu semua lubang hitam memiliki jembatan Einstein-Rosen, masing-masing memiliki alam semesta sendiri di dalamnya, terbentuk bersamaan dengan lubang hitam.

“Ternyata alam semesta kita bisa saja terbentuk di dalam lubang hitam alam semesta lain,” kata Poplawski.

Jika kita terus mempelajari lebih lanjut penghancuran gravitasi partikel dan menerapkannya dalam studi lubang hitam jenis lain, mungkin dalam teori asal usul alam semesta dalam lubang hitam Einstein-Rosen. akan ada lebih sedikit kontradiksi dibandingkan sebelumnya. Misalnya, banyak masalah dan ketidakkonsistenan yang muncul dengan teori Big Bang, dan teori kehilangan informasi di dekat radius lubang hitam, yang menyatakan bahwa semua informasi tentang materi hilang ketika melampaui radius lubang hitam.