Zdjęcie czarnej dziury wzmacnia teorię ogólnej teorii względności Einsteina

Fizycy są o krok bliżej rozwiązania jednego z najbardziej zagadkowych pytań w nauce: jak pogodzić teorie ogólnej teorii względności z fizyką kwantową. Odpowiedź może leżeć w supermasywnych czarnych dziurach. Konflikt w sercu współczesnej fizyki trwa od ponad wieku, wywołany parą dokumentów napisanych w 1905 roku przez Alberta. Einstein. Jeden opisał swoją teorię ogólnej teorii względności, która wyjaśnia wszechświat na wielką skalę, wyjaśniając grawitację i jej interakcje z czasoprzestrzenią, powodując, że planety krążą wokół słońc, zderzają się galaktyki, a my trzymamy się ziemi, zamiast unosić się w kosmos. Drugi wprowadził ideę kwantów, która od tego czasu została opracowana w celu opisania wszechświata na poziomie subatomowym, w tym sposobu, w jaki atomy i cząstki oddziałują ze sobą. Problem w tym, że te dwa elementy są niekompatybilne. Ogólna teoria względności wymaga, aby struktura wszechświata była gładka i ciągła. Na tym poziomie zdarzenia są deterministyczne, co oznacza, że ​​każdy skutek można prześledzić wstecz do przyczyny. Z drugiej strony mechanika kwantowa opisuje wszechświat podzielony na pakiety energii lub „kwanty”. Na tym poziomie zdarzenia wywołane interakcją cząstek zachodzą w skokach, zwanych skokami kwantowymi, z raczej probabilistycznymi niż pewnymi skutkami. Chociaż różnica może wydawać się niewielka, podobnie jak różnica między obrazami o wysokiej rozdzielczości pokazującymi więcej szczegółów niż o niskiej rozdzielczości, w praktyce oznacza to, że zdarzenia są możliwe w świecie kwantowym, które nie należą do świata czasoprzestrzeni, ponieważ cząstki mogą być „ połączone ” nawet kiedy nie znajdują się w fizycznej bliskości. W 2014 roku holenderscy naukowcy wykazali, że elektrony mogą oddziaływać na siebie natychmiast, nawet jeśli były oddalone od siebie o milę. A kiedy próbujesz wysadzić mikro do makro lub odwrotnie, wszystko idzie okropnie nie tak. Względność daje bezsensowne odpowiedzi, gdy skaluje się ją do rozmiaru kwantowego, ostatecznie tworząc nieskończone wartości przy opisywaniu grawitacji. I odwrotnie, pola kwantowe przenoszą energię, nawet w pozornie pustej przestrzeni; zgodnie z teorią Einsteina energia i masa są równoważne (E = mc2), więc zwiększanie energii poprzez rozszerzanie pola kwantowego jest równoznaczne z budowaniem masy. Gdy osiągniesz wystarczająco duży rozmiar, ilość energii w polu stanie się tak gęsta, że ​​tworzy czarną dziurę, która powoduje, że wszechświat składa się w sobie. Nieidealny. Teraz naukowcy z uniwersytetu w Arizonie znaleźli nowy sposób testowania teorii i stwierdzili, że ogólna teoria względności nie tylko wytrzymuje badania, ale jest po prostu około 500 razy trudniejsza do pokonania. „Oczekujemy pełnej teorii grawitacji [combining the two opposing theories] różni się od ogólnej teorii względności, ale można ją modyfikować na wiele sposobów. Odkryliśmy, że niezależnie od poprawnej teorii, nie może ona znacząco różnić się od ogólnej teorii względności, jeśli chodzi o czarne dziury. Naprawdę ścisnęliśmy przestrzeń możliwych modyfikacji ”- powiedział profesor astronomii UArizona Dimitrios Psaltis. Psaltis, który do niedawna był naukowcem w ramach współpracy Event Horizon Telescope (EHT), jest głównym autorem nowego artykułu opublikowanego w Physical Review Listy z wyszczególnieniem wyników. Aby przetestować ogólną teorię względności, zespół użył rozszerzenia pierwsze w historii zdjęcie supermasywnej czarnej dziury i jej cienia, zrobione za pomocą EHT. Czarna dziura, znajdująca się w środku galaktyki Messier 87 w gromadzie galaktyk Panna, 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, ma masę 6,5 miliarda razy większą niż nasze Słońce. Rozmiar czarnej dziury jest proporcjonalny do jej masy: im masywniejsza czarna dziura, tym większy jej cień. „W tamtym czasie nie byliśmy w stanie zadać przeciwnego pytania: jak bardzo teoria grawitacji różni się od ogólnej teorii względności i nadal jest spójna z rozmiarem cienia?” – powiedział Pierre Christian, członek zespołu UArizona Steward Theory Theory. „Zastanawialiśmy się, czy jest coś, co moglibyśmy zrobić z tymi obserwacjami, aby wybrać niektóre alternatywy”. Ich odpowiedzią było podjęcie szeroko zakrojonej analizy wielu modyfikacji teorii, aby wyeliminować te, które dały wyniki niezgodne z obserwowanym cieniem. „W ten sposób możemy teraz określić, czy jakakolwiek alternatywa dla ogólnej teorii względności jest zgodna z obserwacjami Event Horizon Telescope, nie martwiąc się o żadne inne szczegóły” – powiedziała Lia Medeiros, stypendystka w Institute for Advanced Study współpracy EHT od czasu, gdy była absolwentką UArizona. ”Korzystając z opracowanego przez nas miernika, wykazaliśmy, że zmierzony rozmiar cienia czarnej dziury w M87 ogranicza możliwość modyfikacji ogólnej teorii względności Einsteina o prawie współczynnik 500, w porównaniu z poprzednimi testami w Układzie Słonecznym ”- powiedział profesor astronomii UArizona, Feryal Özel, starszy członek zespołu EHT. „Wiele sposobów modyfikowania ogólnej teorii względności zawodzi w tym nowym i ostrzejszym teście cieni czarnej dziury.” Özel przyznał, że ogólna teoria względności dobrze radzi sobie z testowaniem za pomocą obserwowalnych zjawisk, ale zauważył, że ten nowy test zaostrza granice tego, jak dobrze się utrzymuje. „Zawsze mówimy, że ogólna teoria względności zdała wszystkie testy znakomicie – gdybym miał ani centa za każdym razem, gdy to słyszę” – powiedział Özel. „Ale to prawda, kiedy wykonujesz pewne testy, nie widzisz, że wyniki odbiegają od tego, co przewiduje ogólna teoria względności. Mówimy, że chociaż to wszystko jest poprawne, po raz pierwszy mamy inny miernik za pomocą którego możemy przeprowadzić test, który jest 500 razy lepszy, a ten miernik jest rozmiarem cienia czarnej dziury. ”„ Kiedy otrzymamy obraz czarnej dziury w centrum naszej własnej galaktyki, możemy ograniczyć odchylenia od ogólnych jeszcze bardziej teoria względności – powiedziała. Następnym na liście zespołu jest wykonanie zdjęć o wyższej wierności za pomocą innych teleskopów, w tym Teleskopu Grenlandii, 12-metrowego Teleskopu na Kitt Peak w pobliżu Tucson oraz Obserwatorium Northern Extended Millimeter Array we Francji. „Wraz z obserwacjami fal grawitacyjnych oznacza to początek nowej ery w astrofizyce czarnych dziur” – powiedział Psaltis.