Если ученым удастся найти черную дыру с очень маленькой тенью, это откроет дверь к совершенно новому пониманию гравитации и, возможно, объяснит, почему Вселенная расширяется все быстрее. Но чтобы понять, как эта идея шмеля может "летать", давайте углубимся в фундаментальную физику.
Глядя в зеркало
Физики любят симметрию. В конце концов, она помогает нам понять некоторые из самых глубоких секретов Вселенной. Например, физики поняли, что если вы проводите эксперимент по фундаментальной физике, вы можете переместить свое оборудование в другое место и снова получите тот же результат (то есть, если все другие факторы, такие как температура и сила гравитации, останутся прежним). Другими словами, независимо от того, где в космосе вы проводите свой эксперимент, вы получите один и тот же результат. С помощью математической логики это напрямую приводит к закону сохранения количества движения.
Другой пример: если вы запустите свой эксперимент и подождете некоторое время, прежде чем запускать его снова, вы получите тот же результат (опять же, при прочих равных). Эта временная симметрия напрямую ведет к закону сохранения энергии - энергия никогда не может быть создана или уничтожена.
Есть еще одна важная симметрия, которая составляет основу современной физики. Она называется "симметрией Лоренца" в честь Хендрика Лоренца, физика, который выяснил все это в начале 1900-х годов. Оказывается, вы можете свой эксперимент повернуть в пространстве, и (при прочих равных) вы получите тот же результат. Вы также можете ускорить эксперимент до фиксированной скорости и получить тот же результат. Другими словами, при прочих равных - повторяю это, потому что это важно - если вы проводите эксперимент в полном покое и проводите тот же эксперимент на половине скорости света, вы получите тот же результат. Это симметрия, которую обнаружил Лоренц: законы физики одинаковы независимо от положения, времени, ориентации и скорости. Что мы получаем из этой фундаментальной симметрии? Для начала, мы получаем всю специальную теорию относительности Эйнштейна, которая устанавливает постоянную скорость света и объясняет, как пространство и время связаны между собой для объектов, движущихся с разными скоростями.
Гравитация шмеля
Специальная теория относительности настолько важна для физики, что это почти метатеория: если вы хотите придумать собственное представление о том, как работает Вселенная, оно должно быть совместимо с требованиями специальной теории относительности. Физики постоянно пытаются придумать новые и улучшенные теории, потому что старые, такие, как общая теория относительности, которая описывает, как материя искажает пространство-время, и Стандартная модель физики элементарных частиц, не могут объяснить все во Вселенной: например, что происходит. в центре черной дыры.
И одно очень интересное место для поиска новой физики - это посмотреть, как действуют физические понятия в экстремальных условиях - такие понятия, например, как симметрия Лоренца. Некоторые модели гравитации утверждают, что Вселенная не совсем симметрична. Эти модели предсказывают, что во Вселенной есть дополнительные ингредиенты, которые вынуждают ее не всегда точно подчиняться симметрии Лоренца. Другими словами, в космосе есть особое или привилегированное направление.
Эти новые модели описывают гипотезу, получившую название "гравитация шмеля". Она получила название от любопытной идеи. Ученые однажды заявили, что шмели не должны летать, потому что мы не понимали, как их крылья создают подъемную силу. (Между прочим, ученые никогда не верили в это.) Мы не до конца понимаем, как работают эти модели гравитации и как они могут быть совместимы с Вселенной, которую мы видим, и тем не менее, вот они: глядят нам в глаза, как жизнеспособные варианты новой физики.
Рекламное объявление
Одно из наиболее эффективных применений моделей гравитации шмелей - это потенциальное объяснение темной энергии - явления, ответственного за наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной. Оказывается, степень, в которой наша Вселенная нарушает симметрию Лоренца, может быть связана с эффектом, вызывающим ускоренное расширение. И поскольку мы понятия не имеем, что создает темную энергию, эта возможность действительно выглядит очень привлекательной.
Черная тень
Потребовалось восемь телескопов и более 200 астрономов, чтобы получить удивительное, невиданное ранее изображение далекой черной дыры. Темный круг в центре - тень черной дыры.
Итак, у вас есть модная новая теория гравитации, основанная на некоторых потрясающих идеях, таких, как нарушение симметрии. Куда бы вы пошли, чтобы проверить эту идею? Вы бы отправились в то место, где гравитация растянута до абсолютного предела: в черную дыру. В новом исследовании, еще не прошедшем рецензирование и опубликованном в ноябре 2020 года в базе данных препринтов arXiv, исследователи сделали именно это: изучив тень черной дыры в гипотетической вселенной, смоделированной так, чтобы быть максимально реалистичной. Чтобы сделать модель как можно более реалистичной, команда поместила черную дыру на заднем плане Вселенной, которая ускорялась в своем расширении (точно так же, как мы наблюдаем), и настроила уровень нарушения симметрии, чтобы соответствовать наблюдаемому поведению темной энергии. Они обнаружили, что в этом случае тень от черной дыры может казаться на 10% меньше, чем в мире с "нормальной гравитацией". Это дает ясный способ проверить гравитацию шмеля. Сейчас предпринимаются попытки сделать качественные снимки большего количества черных дыр и получить ответы на некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.
Пол М. Саттер - астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон, ведущий "Спроси космонавта" и космического радио, а также автор книги "Как умереть в космосе". Он написал эту статью для журнала Space.com Expert Voices: Opinions and Insights.
Мы не знаем, почему во Вселенной преобладает материя над антивеществом, но во Вселенной, состоящей из антивещества, могут быть звезды и, возможно, даже галактики. Антизвезды будут непрерывно сбрасывать свои компоненты антивещества в космос и даже могут быть обнаружены в виде небольшого процента высокоэнергетических частиц, падающих на Землю.
Несбалансированное рождение
Антивещество похоже на обычную материю, за исключением того, что это не так. У каждой отдельной частицы есть двойник-античастица с точно такой же массой, одним и тем же спином и т. д. Единственное отличие - это заряд. Например, античастица электрона, называемая позитроном, в точности похожа на электрон, за исключением того, что она имеет положительный электрический заряд. Наши теории фундаментальной физики указывают на особый вид симметрии между веществом и антивеществом - они почти идеально отражают друг друга. На каждую частицу вещества во Вселенной должна приходиться частица антивещества. Но когда мы оглядываемся, мы не видим антивещества. Земля состоит из нормального вещества, Солнечная система - из обычного вещества, пыль между галактиками - из обычного вещества; похоже, что вся вселенная полностью состоит из нормальной материи.
Есть только два места, где существует антивещество. Одно находится внутри сверхмощных коллайдеров частиц: когда мы включаем их и взрываем какие-то субатомные частицы, то вылетают струи как нормального вещества, так и антивещества. Другое место - космические лучи. Космические лучи на самом деле не лучи, а скорее потоки высокоэнергетических частиц. Эти частицы возникают в результате сверхмощных процессов во Вселенной, таких, как сверхновые и сталкивающиеся звезды, и поэтому к ним применима та же физика.
Но почему антивещество встречается так редко? Если вещество и антивещество идеально сбалансированы, что случилось со всем этим антивеществом? Ответ лежит где-то в ранней Вселенной.
Антигалактика
Мы не совсем уверены, что именно произошло, но что-то вышло из равновесия в молодом космосе. Предположительно, в старые добрые времена (когда возраст Вселенной был меньше секунды) вещество и антивещество производились в равных количествах. Но потом что-то случилось; что-то вызвало образование большего количества вещества, чем антивещества. Всего лишь одна часть на миллиард дисбаланса, но этого достаточно, чтобы нормальная материя стала доминировать над всей вселенной, в конечном итоге формируя звезды и галактики, и даже нас с вами. Но каким бы ни был этот процесс, он не был полностью идеальным. Вполне возможно, что ранняя Вселенная могла оставить большие сгустки антивещества, плавающие здесь и там по всей Вселенной. Эти сгустки, если они проживут достаточно долго, вырастут в относительной изоляции. Конечно, когда вещество и антивещество сталкиваются, они уничтожают друг друга во вспышке энергии, и это вызвало бы некоторые проблемы в ранней Вселенной. Но если сгустки антивещества прошли через это испытание, они оказались бы на свободе. В течение миллиардов лет эти сгустки антивещества могли собраться вместе и стать больше. Помните, что единственная разница между антивеществом и веществом - это заряд. Все остальные физические свойства остаются точно такими же. Таким образом, могли образоваться антиводород, антигелий и анти-все-другие элементы. Могли возникнуть антипылевые, антизвездные тела, подпитываемые анти-синтезом, анти-планеты с анти-людьми.
Обратный отсчет
Астрономы не подозревают, что где-то плавают антигалактики, потому что их взаимодействие с нормальной материей (скажем, когда две галактики сталкиваются) высвободило бы довольно много энергии - этого достаточно, чтобы мы заметили. Но возможны и более мелкие сгустки. Более мелкие сгустки, похожие на шаровые скопления. Шаровые скопления - это небольшие плотные скопления из менее миллиона звезд, вращающихся вокруг более крупных галактик. Они считаются невероятно старыми, поскольку в нынешнюю эпоху там не образуются новые звезды, а вместо этого скопления