BIJELA RUPA: POVIJEST, TEORIJA I KAKO SE FORMIRA - FIZIČKA - 2024

Bijela rupa je jedinstvenost prostora - vremena, pripadaju točnim rješenjima jednadžbi opće relativnosti. Te jedinstvenosti imaju ono što se naziva horizont događaja. To znači da postoji barijera koja u bijelu rupu ništa ne može prodrijeti izvana. Teoretski, bijela rupa je posebnost koja ide u prošlost.

Trenutačno ga nitko nije uspio promatrati. Ali moguće je da svoje postojanje dugujemo onome posebnom od svih: Veliki prasak prije 13,8 milijardi godina može se smatrati događajem uzrokovan supermasivna bijela rupa.

Velika masa poput planeta može iskriviti prostor-vrijeme. Izvor: Mysid

Teorija opće relativnosti smatra da se prostor-vrijeme može deformirati efektom ubrzanja ili prisutnošću masivnih predmeta. Ista je teorija koja je predviđala postojanje crnih rupa, od kojih bi im bile bijele rupe. Stoga se njihovo postojanje smatra jednako mogućim.

Sada, za oblikovanje prostorno-vremenske singularnosti, potreban je neki fizički mehanizam. U slučaju crnih rupa, uzrok je poznat u gravitacijskom kolapsu supermasivne zvijezde.

Ali fizički mehanizam koji bi mogao tvoriti singularnost u bijeloj rupi još nije poznat. Iako su se kandidati sigurno pojavili kako bi objasnili svoje moguće usavršavanje, kao što će se vidjeti uskoro.

Razlike između crnih i bijelih rupa

Mnoge od poznatih crnih rupa ostatak su nadmoćne zvijezde koja je pretrpjela unutarnji kolaps.

Kada se to dogodi, gravitacijske sile povećavaju se do te mjere da ništa što se približi neće moći izbjeći njegov utjecaj, čak ni svjetlost.

Zato su crne rupe sposobne progutati sve što padne u njih. Naprotiv, ništa ne bi moglo ući u bijelu rupu, sve bi se odbacilo ili odbijalo iz nje.

Je li moguće postojanje takvog objekta? Uostalom, crne su rupe dugo vremena bile matematičko rješenje Einsteinovih jednadžbi polja, sve dok nisu otkrivene zahvaljujući gravitacijskim i radijacijskim efektima koje uzrokuju u njihovoj okolini, a nedavno su fotografirane.

Suprotno tome, bijele rupe još uvijek su skrivene od kozmologa, ako one zaista postoje.

Povijest njegovog otkrića

Teorija o postojanju bijelih rupa polazi od radova Karla Schwarzschilda (1873-1916), njemačkog fizičara i prvog koji je pronašao točno rješenje Alberta Einsteinova relativističkih jednadžbi polja.

Da bi to učinio, razvio je model sa sfernom simetrijom čija rješenja imaju jedinstvenosti, a to su upravo crne rupe i njihovi bijeli pandanti.

Schwarzschildovo djelo nije baš popularno, možda je objavljeno tijekom Prvog svjetskog rata. Trebalo je nekoliko godina da su ih dva fizičara samostalno prihvatila tokom 1960-ih.

Matematičari Igor Novikov i Yuval Ne'eman su 1965. analizirali Schwarzschildova rješenja, ali koristeći drukčiji koordinatni sustav.

U to vrijeme izraz bijela rupa još nije bio skovan. U stvari, bili su poznati kao "zaostala jezgra", i smatrali su se nestabilnima.

Međutim, budući da su bili crne rupe, istraživači su pokušali pronaći fizički objekt čija je priroda kompatibilna s onim predviđenim za bijele rupe.

Kvazi i bijele rupe

Istraživači su vjerovali da su ga pronašli u kvazarima, najsvjetlijim objektima u Svemiru. Oni emitiraju snažni tok zračenja koji detektiraju radio teleskopi, baš kao što bi trebala činiti i bijela rupa.

Međutim, energiji kvazara na kraju je dato izvodljivije objašnjenje, povezano s crnim rupama u središtu galaksija. I tako su bijele rupe opet postale apstraktne matematičke cjeline.

Iako su poznate, bijele rupe su dobile mnogo manje pažnje od crnih rupa. To je ne samo zbog činjenice da se vjeruje da su nestabilne, što dovodi u pitanje njihovo stvarno postojanje, već i zbog toga što ne postoji razumna hipoteza o njihovom mogućem podrijetlu.

Suprotno tome, crne rupe nastaju zbog gravitacijskog kolapsa zvijezda, fizičkog fenomena koji je dobro dokumentiran.

Moguće je pronaći bijelu rupu

Istraživači su uvjereni da su konačno otkrili bijelu rupu u fenomenu zvanom GRB 060614, koji se dogodio 2006. Taj fenomen je predložen kao prvi dokumentovani izgled bijele rupe.

GRB 060614 bio je gama-rafal koji je otkrio brzi opservatorij Neila Gehrelsa 14. lipnja 2006., s osobitim svojstvima. Dovodi u pitanje prethodno održan znanstveni konsenzus o podrijetlu pucanja gama zraka i crnih rupa.

Veliki prasak, za koji neki smatraju da je bila supermasivna bijela rupa, možda je zauzvrat posljedica supermasivne crne rupe, u srcu nepoznate galaksije smještene u našem matičnom svemiru.

Jedna od poteškoća u promatranju bijele rupe je ta što se sva materija iz nje istiskuje u jednom pulsu. Dakle, bijeloj rupi nedostaje potreban kontinuitet da bi se promatrao, dok crne rupe imaju dovoljno upornosti da se vide.

Teorija

Einstein postulira da masa, vrijeme i duljina usko ovise o brzini referentnog okvira u kojem se mjere.

Pored toga, vrijeme se smatra još jednom varijablom, s istim značenjem kao i prostorne varijable. Dakle, o prostoru-vremenu se govori kao o cjelini u kojoj se događaju bilo koji događaji i svi događaji.

Materija u interakciji s tkivom prostora-vremena i modificira ga. Einstein opisuje kako se to događa s nizom 10 tenzorskih jednadžbi, poznatim i kao jednadžbe polja.

Neki važni pojmovi u teoriji relativnosti

Tenzori su matematički entiteti koji omogućuju razmatranje vremenske varijable na istoj razini kao i prostorne varijable. Poznati vektori poput sile, brzine i ubrzanja dio su ovog proširenog skupa matematičkih cjelina.

Matematički aspekt Einsteinove jednadžbe uključuje i pojmove poput metrike, što je udaljenost i u prostoru i u vremenu koja razdvaja dva beskonačno bliska događaja.

Dvije točke u prostornom vremenu dio su krivulje koja se naziva geodetska. Te se točke ujedinjuju u prostorno-vremenskoj udaljenosti. Takav prikaz prostora-vremena promatran je na sljedećoj slici:

Oblik konusa određuje se brzinom svjetlosti c, koja je konstanta u svim referentnim okvirima. Svi se događaji moraju odvijati unutar stožaca. Ako postoje događaji izvan njih, ne postoji način saznanja, jer informacije trebaju putovati brže od svjetlosti da bi se opažale.

Einsteinove jednadžbe polja priznaju rješenje s dvije singularnosti u praznom području (to jest, bez mase). Jedna od tih posebnosti je crna rupa, a druga je bijela rupa. Za oba postoji horizont događaja, koji je sferna granica konačnog radijusa koja okružuje singularnost.

U slučaju crnih rupa, ništa, pa ni svjetlost, ne može izaći iz ove regije. A u bijelim je rupama horizont događaja barijera koja izvana ne može probiti ništa. Otopina crne rupe u vakuumu nalazi se u svjetlosnom konusu budućnosti, dok je otopina bijele rupe u prošlom području svjetlosnog konusa.

Rješenja Einsteinove jednadžbe koja uključuju pravu crnu rupu zahtijevaju prisustvo materije, a u ovom slučaju nestaje otopina koja sadrži bijelu rupu. Stoga se zaključuje da kao matematičko rješenje u teoriji singularnih rješenja bez materije postoje bijele rupe. Ali to nije slučaj kada je materija uključena u Einsteinove jednadžbe.

Kako nastaje bijela rupa?

Teoretski fizičar Carlo Rovelli i njegov tim sa Sveučilišta u Aix-Marseilleu u Francuskoj 2014. godine predložili su da bijele rupe mogu nastati uslijed smrti crne rupe.

Već u 1970-ima, vodeći stručnjak za crne rupe, Stephen Hawking, izračunao je da crna rupa gubi masu emisijom Hawkingova zračenja.

Proračuni Rovellija i njegovog tima pokazuju da bi takav gubitak gubitka zračenja iz crne rupe u svojoj posljednjoj fazi mogao proizvesti odboj koji stvara bijelu rupu.

No Rovellijevi proračuni također pokazuju da bi u slučaju crne rupe s masom jednakom masi Sunca, trebalo bi oko četiri tisuće puta više od trenutne dobi svemira da bi se stvorila bijela rupa.

Bijele rupe i tamna tvar

Jedne sekunde nakon Velikog praska, fluktuacije gustoće u svemiru koji se brzo širio uspjeli su stvoriti iskonske crne rupe (bez potrebe za kolapsom zvijezda).

Te prvobitne crne rupe su mnoge, mnogo manje od onih zvjezdanog porijekla i mogu isparavati dok ne umru da uđu u bijelu rupu u vremenu uključenom u život svemira.

Mikroskopske bijele rupe mogu biti vrlo masivne. Na primjer, jedna veličina zrna prašine može imati veću masu od Mjeseca.

Rovellijev tim čak sugerira da ove mikroskopske bijele rupe mogu objasniti tamnu tvar, još jednu od najvažnijih kozmoloških misterija.

Mikroskopske bijele rupe ne bi emitirale zračenje; a budući da su manje od jedne valne duljine, ispadaju da su nevidljive. To bi mogao biti još jedan razlog koji bi objasnio zašto ih još nisu otkrili.

Reference

1. Battersby, S. 2010. Vječne crne rupe su krajnji kozmički sef. Oporavilo od: newscientist.com.
2. Choi, C. 2018. Bijele rupe mogu biti tajni sastojak u tajanstvenoj tamnoj tvari. Oporavilo sa: space.com.
3. Fraser, C. 2015. Što su bijele rupe ?. Oporavilo sa: phys.org.
4. Masters, Karen. 2015. Što je bijela rupa ?. Oporavak od znatiželjnih.astro.cornell.edu
5. Wikiwand. Bijela rupa. Oporavilo od: wikiwand.com