Fekete lyuk és indiai tudósok

A fizikai Nobel-díjas Roger Penrose fekete lyukkal kapcsolatos munkája az előtte álló tudósok munkájára épít. Köztük sok indián.

fekete lyuk, tudósok fekete lyuk, indiai tudósok nasa, indiai tudósok fekete lyuk felfedezése, legfrissebb hírek, indiai expresszA modern történet Subrahmanyan Chandrasekharral kezdődik, aki 1930-ban azt a megdöbbentő felfedezést tette, hogy létezik egy fehér törpe maximális tömege. Ez körülbelül 1,4-szerese a mi napunk tömegének. (Forrás: Chandra X-ray Observatory)

Írta: Naresh Dadhich és Ajit Kembhavi

A nagy angol fizikus, Sir Isaac Newton híresen mondta: Ha másoknál messzebbre láttam, akkor az óriások vállán állva. Ez általánosságban igaz a tudományra. Nincs felfedezés anélkül, hogy valaki ne állna néhány vállon, legyen az alacsony vagy magas.

Nézzük meg azokat a vállakat, amelyeken Roger Penrose állhat, miközben a fekete lyukak kialakulását egy nagy tömegű csillag elkerülhetetlen végállapotának tekinti Albert Einstein gravitációs elméletében, amelyet általános relativitáselméletnek is neveznek. Penrose munkássága jelenleg azért szerepel a hírekben, mert elnyerte az idei fizikai Nobel-díjat. A díjat megosztotta két másik csillagászral, akik független munkájuk során olyan nagy tömegeket mutattak ki, amelyekről úgy gondolják, hogy egy fekete lyuk a saját Tejútrendszerünk középpontjában.



Az első indiai kapcsolat a fekete lyuk kifejezéssel egy hírhedt esemény 1756-ban, amikor a Nawab Siraj-ud-Daulah 146 brit katonát szorított be egy börtönbe Fort Williamben, amelyet Kolkata Fekete Lyukának neveztek. (A kolkatai általános posta jelenleg ezen az oldalon áll. Nem csoda, hogy a kolkataiak panaszkodnak, hogy nem jön ki levél az oldalról!)

Érdekes, hogy a fekete lyuk tudományos lehetőségként való első felfogása hamarosan követte. 1784-ben John Michell brit pap és tudós, majd két évvel később a nagy francia matematikus, Pierre Simon Laplace azzal érvelt, hogy ha egy objektum nagyon masszív és sűrű, akkor gravitációja olyan erős lehet, hogy még a fény sem tud kiszökni belőle. Egy ilyen tárgy, ha létezik, teljesen fekete lenne és láthatatlan – egy fekete lyuk!

A modern történet Subrahmanyan Chandrasekharral kezdődik, aki a madrasi BSc megszerzése után 1930-ban az angliai Cambridge-be távozott felsőoktatási tanulmányok végett. Cambridge-i útján érdekes számításokat végzett fehér törpékkel. Addig azt hitték, hogy minden csillag azzal fejezi be életét, hogy fehér törpévé válik. Ez egy nagyon rejtélyes tárgy, amely az elektronok által kifejtett nyomás miatt megtámasztja magát a gravitációs erővel szemben. Az ilyen objektumok matematikai vizsgálata során a fiatal Chandrasekhar egyesítette Albert Einstein relativitáselméletét és a kvantummechanika akkoriban új elméletét. Megdöbbentő felfedezést tett, hogy létezik egy fehér törpe maximális tömege. Ez körülbelül 1,4-szerese a mi napunk tömegének. Az ennél nagyobb tömegű fehér törpének, amelyet ma Chandrasekhar-határnak neveznek, szükségszerűen össze kell esnie. Ez egy nagyon fontos felfedezés volt. Más kérdés, hogy Sir Arthur Eddington, a kor vitathatatlanul legbefolyásosabb és legkreatívabb asztrofizikusa nem fogadta el Chandrasekhar monumentális felfedezését, és meglehetősen tudománytalan módon kritizálta azt. Utóbbi akkor nevetett utoljára, amikor 1983-ban Nobel-díjat kapott a fehér törpékről végzett munkájáért.

Mi történik, ha egy csillag nem tudja befejezni életét fehér törpeként, mert túl nagy tömegű? Kiderült, hogy ahogy egy csillag folytatja összeomlását, végül olyan sűrűvé válik, hogy szinte minden benne lévő anyag nukleáris részecskévé, úgynevezett neutronokká alakul. Ezek a neutronok a fehér törpék elektronjaihoz hasonlóan nyomást gyakorolhatnak az összeomlás ellen, ami egy stabil objektum, az úgynevezett neutroncsillag kialakulásához vezethet. Egy ilyen tárgy olyan sűrű, hogy csak egy kanálnyi anyaga annyi lenne, mint az egész emberiségé. Még egy ilyen objektumnak is a korlátozó tömege körülbelül háromszorosa a Nap tömegének.

Ha egy neutroncsillag ennél a határnál nagyobb tömegű, akkor a végtelenségig össze kell esnie, mivel a jelenlegi elmélet szerint nincs olyan nyomásforrás, amely ellenállna neki. Egészen nulla méretig és végtelenül nagy sűrűségig omlik össze – ez szingularitás. Még mielőtt az objektum elérné ezt a szakaszt, annyira tömör lesz, hogy a fény már nem tud kiszökni belőle - fekete lyuk keletkezik! Ez az eredmény Einstein általános relativitáselméletén alapul, amelyben a gravitáció és a téridő geometria szépen szintetizálódik. A gravitációt a téridő görbület írja le. Ezért van az, hogy az általános relativitáselméletben a fekete lyukak mélyrehatóbb és bizarrabb objektumok, mint a Michell és Laplace által leírt Newton gravitációs elméletének fekete lyukai.

Az ilyen összeomlás matematikáját először a kalkutai Bishveshwar Datt dolgozta ki 1938-ban. A fontos eredmény megszerzése után azonban nem sokkal a műtőasztalon halt meg, miközben sérvvel operálták. Egy évvel később Robert Oppenheimer (akit az első atombomba atyjaként ismert) és David Snyder az Egyesült Államokban ugyanazt az eredményt érte el, mint Datt, amit az Oppenheimer-Snyder összeomlásként ismernek.

Ezek voltak a második világháború évei, amelyek megnehezítették az információáramlást Indiából külföldre. Emiatt, valamint Datt szomorú és idő előtti halálozása miatt hozzászólása 1999-ig nem hangzott el, amikor is a Journal of General Relativity and Gravitation felfedezte őt, és újranyomtatta az eredeti cikket. Az igazat megvallva, a fekete lyukak kialakulását megalapozó eredményt Datt-Oppenheimer-Snyder (DOS) összeomlásnak kell nevezni.

1953-ban Amal Kumar Raychaudhuri, a kolkatai Ashutosh College oktatója figyelemre méltó egyenletet kapott, amely az ő nevét viseli. Ez szabályozza a részecskerendszer fejlődését Einstein gravitációs elmélete szerint. A Raychaudhuri-egyenlet az, amely általánosságban megállapítja azt a mélységes eredményt, hogy a szingularitás előfordulása elkerülhetetlen az általános relativitáselméletben. Datt, Oppenheimer és Snyder korábbi munkái olyan leegyszerűsítő feltevéseket fogalmaztak meg, amelyeket Raychaudhuri nem használt alapművében.

Az 1960-as évek közepén Stephen Hawking és Roger Penrose a Raychaudhuri-egyenletre építve és globális elemzési technikákat alkalmazva azt a mélyreható jóslatot fogalmazta meg, hogy a középpontjában szingularitást tartalmazó fekete lyuk kialakulása elkerülhetetlen Einstein gravitációs elméletében. Nagyon erős tételeket bizonyítottak, amelyek matematikailag és szigorúan megállapították az eredményt. Ez a fontos munka felelős a Nobelért Penrose-nak. Hawking nem szerepelhet a díjban, mivel azt nem ítélik oda elhunytnak.

Bár a Raychaudhuri-egyenlet arra a következtetésre vezet, hogy az általános relativitáselméletben a gravitációs összeomlásban elkerülhetetlen a szingularitás, Hawking és Penrose erőteljes tételei a globális elemzési technikák segítségével megmutatták, hogy az összeomlás előrehaladtával csapdába esett felületek képződnek, amelyekből az anyag. nem menekülhet. Lényegében a tételek a fekete lyukak kialakulásának folyamatát a téridő geometriájával magyarázzák. A fekete lyuk bizarr és egzotikus egyszerűen azért, mert pusztán geometriai tárgy.

A fizikában a mélységi sorrend a következőképpen alakul. A csúcson a fizika új törvényének felfedezése áll. Aztán jönnek a különböző fizikai rendszerek viselkedését szabályozó egyenletek, mint például az összeomló csillagok vagy a táguló univerzum. És végül számos fontos, hasznos és érdekes eredményünk van, amelyek az egyenletekből következnek. Einstein gravitációs elmélete számos mélyreható eredményhez vezetett a fekete lyukakkal, a táguló univerzummal és így tovább. Raychaudhuri egyenletének szerepe egyértelmű ebben a hierarchiában.

1966-ban Fred Hoyle és Jayant Narlikar a következő kérdést tette fel: Milyen tömegűnek kell lennie egy csillagnak ahhoz, hogy megállítsa a környező anyag kozmikus tágulását, és galaxisszerű szerkezetet alkosson? Azt találták, hogy tömegének körülbelül egymilliárdszor nagyobbnak kell lennie, mint a Napnak. Így azzal érveltek, hogy egy olyan galaxis középpontjában, mint a miénk, egy szupermasszív csillagnak kell lennie. A két megfigyelő, Andrea Ghez és Reinhard Genzel megosztotta a Nobel-díjat Penrose-val, amiért szupermasszív objektumot találtak (ezt mondja az idézet) galaxisunk közepén. Széles körben elterjedt az a vélemény, hogy ez az objektum egy fekete lyuk. Érdekes, hogy amit Hoyle és Narlikar több mint fél évszázaddal ezelőtt megjósolt, azt most már valóban megfigyelték.

Az 1960-as és 70-es évek a relativisztikus asztrofizika és a kozmológia nagy felfedezései számára rendkívüli idők voltak. Bár a fekete lyukat leíró megoldást közvetlenül azután kapták meg, hogy Einstein felfedezte az egyenletét, csak az 1960-as években, azaz bő 45 évvel később értelmezték fekete lyukként. Megjegyzendő, hogy a fekete lyuk kifejezést John Wheeler csak 1967-ben találta ki, miközben egy New York-i konferencián a közönség kérdésére válaszolt.

A forgó fekete lyukat leíró Einstein-egyenletek legérdekesebb megoldását Roy Kerr új-zélandi fizikus fedezte fel 1963-ban. Egy másik jelentős felfedezés a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás volt 2,7 Kelvin (körülbelül -270 Celsius-fok) hőmérsékleten, amely a világegyetem ősrobbanás-elméletének legnagyobb előrejelzése volt. Az univerzumnak egyedi kezdete volt egy forró ősrobbanásban, és a megfigyelt mikrohullámú sugárzás ezt az üzenetet és aláírást hordozza.

A terepet tehát megadták annak a nagy felfedezésnek és jóslatnak, hogy a fekete lyuk kialakulása és következésképpen a központi szingularitás elkerülhetetlen jellemzői Einstein gravitáció-általános relativitáselméletének.

Naresh Dadhich elméleti fizikus, korábban a Pune-i Egyetemközi Csillagászati ​​és Asztrofizikai Központnál (IUCAA). Ajit Kembhavi az IUCAA asztrofizikusa