yeshe: (Default)



As Terry Pratchett said, "In the beginning there was nothing, which exploded." This is exactly how many people see the Big Bang. However, there is a big difference between "nothing" in people's imaginations and "Nothing" that really exploded. And that’s what we are going to discuss now. What exploded and why? How did it happened that the explosion brought the entire Universe out of this Nothing? And how the heck it was packed into it? So, let's begin. We all know from school what atoms are. They are the little things that everything is made of. Once upon a time, a couple of ancient Greek philosophers, Leucippus and Democritus, noticed that linen laid out for drying actually dries. So, these ancient Greeks decided that the water consists of something very small and this small things gradually disappear. Of cause, this was noticed by everyone, especially the women, who actually laid out this linen for this exact purpose, but only those men decided to think about the nature of things while being engaged to such a boring activity. They called these little things atoms, which means indivisible. And they were wrong, but they did not know it and died happy that they penetrated the nature of things. So, they said, the world is made of tiny atoms and void.

Time has passed. Once upon a time, people discovered that the world is a little bit more complicated, and the indivisible atom turned out to be pretty much divisible. First, people discovered that the atom consists of two main things: a proton and an electron. The proton is positively charged particle, which is proudly located in the center of the atom, and the electron is negatively charged thing that flies around. And scientists decided that those are now the indivisible parts. A proton is such a big and heavy thing, and an electron has about 1000 times smaller mass. They were often depicted as one heavy ball in the center and another one in the circular orbit nearby. However, this was a picture of only the simplest hydrogen atom, which has only one proton and one electron, and the other atoms turned out to be even more complex; they have several protons in the center, and several electrons around, but still it was beautiful and clear picture, and the scientists calmed down: The world consists of protons, electrons and void.

 


However, this void turned out to be unexpectedly huge. If we consider the simplest hydrogen atom and imagine that it has become of a size of a... say giant wheel of the view, then the proton will be the size of a grape or a bead placed in the center, and the electron is orbiting the wheel. All the rest will be empty space. In case of other elements, like helium, oxygen, etc., we have several protons instead of one, which we can imagine as some beads glued together and located in the center of an atom. And the same amount of electrons would be circling around. All of them are located at different orbits, and these orbits are positioned further and further away from the core. And this distance is measured already in several wheel's radii or even in several dozen radii.


But the adventure of these little things is not over yet. First, scientists compiled a table of elements by the number of protons in the nucleus of atoms. It turned out that substances very much change their properties depending on this amount. The number of protons in the nucleus is equal to the number of orbiting electrons. But when people measures the mass of the nucleus they found out that the mass is too big for this arrangement. So, scientists decided that in addition to protons in the nucleus there is something else, some little thing that has mass but no charge. And it was it! People found a particle with the mass that is approximately equal to the proton mass, but neutral (with no charge). They called it a neutron for simplicity.


Along the way, it turned out that the proton is a very stable particle, one of the main elements of which the Universe is built of. Some of the protons that are inside our body or the body of our planet have existed right from the time of the Big Bang — billions of years. Do you feel it? Can you comprehend it? Oh, yeah! But what about neutrons? And it happen to be not very stable particle; it likes to fall apart. This process is called beta decay, when the neutron is divided into a proton and an electron. Well, plus something else, but we will leave it for now. Inside the nucleus of each element, they coexist very amicably — protons and neutrons — holding on tightly to each other and not wanting to split. And electrons (which also turned out to be very stable particles) fly around at a distance that we have already discussed.


And I must say that they fly on special orbits, which are not circular, they are spherical. Each electron has its personal orbit, and these orbits never intersect each other; they are located one inside the other as shells of the onion or as nesting dolls. And between them, there is a waste empty space. No electron can occupy the orbit, where another electron already dwells. Not allowed. This is Dr. Pauli's rule that is called the exclusion principle. It’s forbidden. And the electrons obey Dr. Pauli. For a while. But once upon a time… 


But wait! First, let's travel a little deeper into the particles. Those protons and neutrons, which at first seemed to be the very indivisible particles, also turned out to be very divisible. They consist of quarks, three quarks in each neutron and each proton. Quarks are very fancy and diverse particles, and scientists suffered a lot, coming up with different names and colors, and other characteristics for them. But we don’t need it for now. The important thing is that now protons and neutrons also consist of some kind of quarks and void. And quite possibly this is not the limit of their division.


Phew... Let's make a break. Now we know that an indivisible atom is completely divisible, and even divisible into many parts.


Now let's imagine this: somewhere in the Universe some particles and atoms fly by close to each other and therefore they are attracted to each other. Gathering gradually in one big pile, they attract other particles and atoms to themselves, and now there are more and more of them. The more they gather to this heap, the more they attract others, etc. Time passes and a celestial body appears, which consists mainly of hydrogen and a small amount of other elements. And in this celestial body, the most densely populated place is the center. It becomes very crowded, and everything else presses down on this core. Like in the ocean, pressure increases with depth, so in gas formations. The higher the altitude, the thinner the atmosphere — like on Earth. And vice versa, the deeper inside —the substance becomes more thicker and dense. 


Now imagine what happens in the depths of the Mariana Trench on Earth. The pressure there is so great that the submarine will be crushed like a shell. But an ordinary atom in this Mariana Trench feels quite good. However, imagine the depths of the ocean on the Sun or another star. Here, at the very depths, this atom feels uncomfortable. And what if the star mass is equal to several tens or hundreds of the mass of the Sun? The atoms inside in the depths are getting really bad. They barely hold that terrible weight, which puts pressure on them from above.


And once the atoms in the depths collapse!


At first (as supposed), the so-called inverse beta-decay occurs inside the star. As we recall, during beta decay, a neutron turns into a proton, electron, and something else. And during inverse beta decay, protons and electrons combine together to form a neutron. What happens during this process? If there is a distance similar to a wheel of view radius between an electron and a proton (on a comparative scale of an atom), then we can imagine how much void is squeezed out of the star (if you may say so)!


When a star that has a mass of, for example, tens of suns and millions of miles in its diameter, collapses into a neutron star, the mass of the new star remains almost the same except the mass of the stuff that flew away into the Universe during a collapse-explosion. However, the size of this new star will not be measured in millions or even thousands of miles. Its diameter will be say 12 miles.


But this is not the limit of compression. Because in some cases, the boundaries between the neutrons and protons also could fall down, and the star collapses to a quark star; and now it becomes even smaller in size, say 7 miles in diameter. 



Think this is the limit? Of course, not. After all, we know that there are also black holes — the so-called space objects, which could swallow the star with a mass from several tens to several millions of suns. Well, not exactly! It is not about a black hole with humongous appetite. This is not like a star is getting swallowed; the star is just getting self-packed into a black hole. The large star is converting and transforming into a black hole, which is the tiny cosmic object with huge mass and various miraculous features, which are not well studied yet.


And we can only imagine what microscopic elementary particle the atom is divided to, so that it can be packed so thoroughly that there will not be a millimeter of free space between these proto-particles. Not a micro-meter of emptiness. Not a nano-, pico-, femto-, atto-, zepto-, yocto-meter of emptiness. Nothing. We have reached the limit of fissility of an atom. We got the primary proto-sand and put everything in a proto-sandbox. The result was a cosmic body that has virtually no physical size. Wow! Is this thing could be called "nothing"? Is this really “nothing” if in mass it is equal to that same star with a mass of a million suns? What if several similar black holes merged together? And once upon a time, the entire Universe can be packed into such a cosmic object, which... Nevermind… Can you really imagine this mass? The mass of the whole Universe. How do you like this "Nothing"?


And if one day it explodes, there will be a new Big Bang, new stars and galaxies. And everything, the entire life of the entire Universe will start again…




yeshe: (Default)


Как сказал замечательный писатель Терри Пратчетт, "In the beginning there was nothing, which exploded". Если переводить дословно, то это будет звучать примерно так: "Вначале было ничего, которое взорвалось". Многие именно так и представляют себе Большой Взрыв, но однако между "ничего" в представлении большинства и "Ничего", которое взорвалось, на самом деле есть большая разница. И именно её мы сейчас обсудим. Что взорвалось и почему? А главное, как оно там оказалось изначально? Что там было такого, что при взрыве породило целую Вселенную? И как оно туда упаковалось?

Итак, начнём.

Все мы знаем со школы, что такое атомы. Это такие маленькие штучки, из которых всё состоит. Ещё древние греки заметили, что бельё, разложенное для просушки, почему-то высыхает. Значит, сказали древние греки, вода состоит из чего-то очень маленького и это маленькое постепенно исчезает. Впрочем, замечали-то это все (особенно женщины, которые для того собственно и раскладывали это бельё), но только мужчины наконец решили подумать о природе вещей за таким банальным занятием. И не все, а только Левкипп и Демокрит. Они назвали эти штучки атомами, что означает неделимый. И вот тут они были неправы, но они об этом не узнали и умерли счастливыми, что познали природу вещей.

Итак, сказали они, мир состоит из крошечных атомов и пустоты.

Прошло время. И однажды люди выяснили, что мир немного сложнее. И когда-то неделимый атом оказалось очень даже делится. Сначала они поделили атом на две главные штучки — протон и электрон. Протон заряжен положительно и гордо располагается в центре атома, а электрон заряжен отрицательно и летает по орбите вокруг. И ученые решили, что теперь-то уж это те самые неделимые части. Протон это такая большая штучка, а электрон — маленькая, в 1000 раз меньше массой. Их часто так и изображали в виде одного шарика в центре и другого на орбите. Впрочем, это только самый простейший атом водорода, у которого есть только один протон и один электрон, а другие атомы оказались чуть сложнее — у них в центре было несколько протонов, а вокруг летало несколько электронов, но всё равно всё было красиво и понятно, потому учёные успокоились:

Мир состоит из протонов, электронов и пустоты.



Однако этой пустоты оказалось неожиданно много. Если рассмотреть самый простой атом водорода и представить себе, что он стал размером с э… скажем стадион, то протон в его центре будет размером с яблоко, помещенное в центре, а вот электрон будет летать на расстоянии внешнего контура этого стадиона. Всё же остальное будет та самая пустота. А вот если в центре атома размещается несколько протонов, то и электронов вокруг вращается гораздо больше. Но все они расположены на разных орбитах, и эти орбиты располагаются всё дальше и дальше от оного ядра. И расстояние это измеряется уже в нескольких стадионах или в нескольких десятках стадионов.

Но этим приключения маленьких штучек не закончились. Сначала учёные мужи составили таблицу элементов по количеству протонов в ядре атомов. Оказалось, что вещества очень сильно меняют свои свойства в зависимости от этого количества. Потом люди нашли также способы измерить вес ядра атома и выяснили, что протонов как-то маловато, а массы многовато. Значит, решили учёные мужи, что кроме протонов в ядре есть что-то ещё, что имеет массу, но не имеет заряда. Так оно и оказалось. Они нашли частицу с массой примерно как у протона, но нейтральную (не имеющую заряда). Они назвали ее нейтроном — чтобы долго не мучиться над названием. Кроме того там в ядре оказалось ещё много чего интересного, но мы об этом поговорим в другой раз.

Попутно выяснилось, что протон — это очень стабильная частица, один из основных элементов, из которых построена Вселенная. Те протоны, которые находятся внутри нашего тела или тела нашей планеты существуют прямо-таки со времени Большого Взрыва — миллиарды лет. Ощутили? Прониклись? То-то! А нейтрон? А он как раз любит разваливаться на части. Этот процесс называется бэта-распад (β—распад), когда нейтрон делится на протон и электрон. Ну и кое-что ещё, но мы пока это оставим. Вместе в ядре каждого элемента они уживаются вполне дружно — протоны и нейтроны, крепко держась друг за дружку и не желая разрывать объятия. А электроны (которые тоже оказались очень стабильными частицами) летают  вокруг на расстоянии, о котором мы тут уже рассказали.

И надо сказать, что летают они по особым орбитам, причем каждый электрон имеет персональную орбиту, и орбиты эти никогда не пересекаются и расположены одна внутри другой как оболочки или как матрешки. А между ними — большое пустое пространство. Никакой электрон не может занимать орбиту, где уже обитает другой электрон. Не положено. По правилу Доктора Паули, вернее по принципу запрета. Нельзя, запрещено. И электроны Доктора Паули слушаются. До поры до времени. Но наступает момент, когда…

Нет, сначала ещё немного попутешествуем вглубь частицы. Те протоны и нейтроны, которые сначала казались теми самыми неделимыми частицами, тоже как на грех оказались вполне делимыми. Они поделились на кварки, по три в каждом нейтроне и в каждом протоне. Кварки оказались очень разные, и учёные сломали голову, придумывая им разные названия и цвета, и прочие характеристики. Но это нам сейчас не нужно. Важно то, что теперь и протоны с нейтронами состоят из каких-то там кварков и пустоты. И вполне возможно это еще не предел деления.

Уф… Передышка. Ну хорошо. Мы теперь знаем, что неделимый атом оказывается вполне даже делимым, и даже на много частей.

А теперь давайте представим такое: где-то во Вселенной летят себе частицы или атомы; они самые разные, но летят они где-то рядом друг с другом, и потому они друг к другу притягиваются. Собираясь постепенно в одну большую кучу, они притягивают к себе и другие частицы и атомы, и их становится все больше и больше. Чем больше их становится в куче, тем больше они притягивают к себе других. И так далее. Проходит время — и появляется небесное тело, которое состоит в основном из водорода и незначительного количества других элементов. И понятно, что в этом небесном теле самое густонасёленное место — это центр. Там становится очень тесно, и всё остальное давит на этот самый центр. Ну как в океане давление увеличивается с глубиной, так же и в газовых образованиях. Чем выше, тем атмосфера разреженнее — как на Земле. И наоборот, чем глубже — тем гуще.

А теперь представьте себе, что происходит в глубине Марианской впадины на Земле. Давление там так велико, что подводную лодку раздавит как скорлупку. А вот обычный атом в этой Марианской впадине чувствует себя вполне неплохо. Однако представьте себе глубину океана Солнца или другой звезды. Вот тут на самой глубине этому атому уже становится некомфортно. А если это звезда массой в несколько десятков или сотен солнц? Атомам внутри в глубине становится уже совсем плохо. Они еле-еле удерживают тот страшный вес, который давит на них сверху.

И однажды атомы в глубине не выдерживают!

Сначала (как предполагают) внутри звезды происходит так называемый обратный β—распад. Как мы помним, во время прямого β—распада нейтрон превращается в протон, электрон и кое-что ещё. А во время обратного β—распада протоны и электроны соединяются вместе, чтобы образовать нейтрон. Что происходит при этом? Если между электроном и протоном расстояние, подобное стадиону (в сравнительном масштабе атома), то можно себе представить, какое расстояние "выдавлено" из звезды (если можно конечно так сказать)!

Звезда, которая имеет массу например в десять солнц и диаметр которой исчисляется в миллионах километров, коллапсирует в нейтронную звезду (почти той же массы, за исключением того, что улетело во Вселенную во время коллапса-взрыва). Но размер этой новой нейтронной звезды будет измеряться не в миллионах и даже не в тысячах километров. Диаметр ее будет скажем километров 20, и это то расстояние, которое наверное каждый день средний горожанин проезжает от дома до работы и обратно.

Но и это еще не предел сжатия. Потому что в один момент и границы между частицами рушатся, и звезда сжимается до кварковой звезды, то есть становится еще меньше в размере.



Думаете это предел? Да нет, конечно. Ведь мы же знаем, что существуют еще и черные дыры — так называемые космические объекты, в которые само-упаковываются звезды массой от нескольких десятков до нескольких миллионов солнц. И мы только можем вообразить, до какой микроскопической элементарной частицы доделился атом, чтобы потом упаковаться так основательно, что не останется ни миллиметра свободного пространства между этими прото-частицами. Ни микрометра пустоты. Ни нано- пико- фемто- атто- зепто- йокто-метра пустоты. Ничего. Всё. Мы дошли до предела делимости атома. Мы получили первичный прото-песок и сложили всё в прото-песочницу. Получилось космическое тело, которое практически не имеет физического размера. Ничего себе "Ничего" получилось? Так какое же это "ничего", если по массе оно равно той самой звезде массой в миллион солнц? А если слились вместе несколько подобных черных дыр? А однажды и вся Вселенная может упаковаться в такой вот космический объект, который… Ну вы представили себе эту массу — массу Вселенной. Как вам это "Ничего"?

И если однажды оно взорвется, то будет новый Большой Взрыв, новые звезды и галактики. И всё пойдёт сначала…



На картинке сверху - схематическое изображение возможных вариантов эволюции звезд: 1) туманность - маленькая звезда - красный гигант - планетарная туманность - белый карлик 2) туманность - большая звезда - красный супергигант - супернова (коллапсирующая звезда) - а далее она может стать как нейтронной звездой, так и черной дырой
yeshe: (Default)
Many years ago being a teenager, I saw one science fiction movie, where an allegedly black hole was shown. It looked more like a spectacular galaxy, and it was pretty funny to me: how can you see a black hole if the light cannot escape it? Much later, I realized that even though the image in the movie did not correspond to reality, and of course we can’t see the black hole, but still there are many interesting phenomena around we can see. So, what exactly can be observed?

First, imagine Saturn with its magnificent rings, and then imagine this Saturn turned black, and you cannot see the planet itself, but still can see the rings, and you get the picture. There are sparkling rings that circle around something we cannot actually observe, but it is there. The 'invisible' Saturn represents the event horizon of a black hole; we cannot see anything beyond this point. And the ring-like thin and hot shining structures formed of matter attracted by a black hole is so called an accretion disk. This disk is located on the equatorial plane as in any other galaxy formed around any massive celestial body. These rings are not calm rings made of ice chunks slowly circling around our well-familiar gas giant Saturn. This matter consists of highly energetic plasma that could be accelerated up to almost speed of light; it can be dense and heated if located close to the event horizon and it is more rarefied and slower moving at a distance. The accretion disk can also be visualized as a whirlpool, the very fast one.

There is a great NASA visualization that simulates the appearance of a black hole. (Figure 1)



https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-visualization-shows-a-black-hole-s-warped-world


However, as you can see in the picture, the accretion disk doesn't look like the Saturn rings. It is very deformed; it looks more like a weird emoticon without a face, but with a hat on. Some viewers have probably seen it in the Interstellar movie. Why do we see it this way? Because the space is very distorted, so the part of the ring, which is actually located behind this celestial body, would be seen partly over the top of the black hole horizon and partly below the bottom. So, the image is still like the rings of Saturn, as would be distorted in a curved mirror or rather seen through a strong convex lens or a clear glass sphere.

Yes, we get it; the space is distorted. But still… Do we? Why the disk has such a weird shape?

To understand the simplicity and beauty of this phenomenon, we need to understand the gravitational lens effect. Let's see the visualization. The image shows a computer model of the passage of a black hole. On the background, we can see the image of a distant galaxy. Note that the galaxy itself is not affected, it is far-far away, and nothing happens to it. Only its image is distorted. You can create alike effect using a strong convex lens or a glass sphere looking through to the image of the same galaxy or to any other image or geometric pattern. If you have such a lens or a glass sphere, then try it. This is the simplest experiment to help yourself to understand the phenomenon of gravitational lens, and you can do it at home. (Figure 2)




If we could move fast from say the southern pole of the black hole horizon toward the north pole (on Figure 1), we would observe about the same picture, as in the model above (Figure 2). The part of the accretion disk closer to us would look just like Saturn's rings, while the beyond horizon part would look like through the lens. So the difficulty to understand the shape of the disk is only due to the static state of the observer. If we could see it in dynamics, we would immediately recognize the phenomenon. Just watch the video!

https://www.youtube.com/watch?v=o-Psuz7u5OI

Moreover, the ability to see such images in dynamics also allows us to discover the new black holes and invisible massive bodies in the Universe. As soon as an astronomer notices that a whole sector of a previously familiar sky picture behaves somewhat weird like if seeing through a magnifying glass, e.g. some stars move up, others down, or even weirder: one star appears in several places (so called the Einstein cross), then this is a definite sign that an invisible very dark but massive object is moving between this familiar background picture and the observer. This unknown object distorts the background image. Recently, it was announced that in our slightly studied Solar system, presence of such an object was suspected somewhere behind Neptune. Thanks to the microlensing effect observed in this area (six events were counted), scientists suggested the presence of an exotic object that is still unidentified, and this could be either a large wandering planet or even primary black hole that formed from superdense matter at the time the expansion of the Universe began [What if Planet 9 is a Primordial Black Hole? Jakub Scholtz, James Unwin]

By the way, the effect of a cosmic lens was discovered by Einstein and was brilliantly proven during a solar eclipse at the beginning of the last century, when the light from a star passing near the Sun got deviated from its original direction flowing around the Sun, and the stars turned out to be visible not at the places, where they should be, but at a larger distance from the Sun.

So, observe the starry sky! It may be possible to notice the unusual behavior of the starry background and from this behavior you can discover new objects that have not been seen before. True, it would take a long time to discover that.

Also, if you have not seen the Interstellar movie, I highly recommend it. A group of scientists took part in its producing; and Kip Thorne even wrote a great book, The Science of Interstellar, where he described how they agreed to create images and visualizations that are as close as possible to what actually is known to science. Or at least they decided to use realistic scientific hypotheses. He explains the underlying science in details and yet simple enough for non-scientists. Therefore, to create a realistic image of a black hole or rather its surroundings, they used some real scientific working models; and the images were created accordingly to the latest scientific knowledge. And the recent real photo of a black hole proved it.



And finally, it is great to have an Internet and youtube, where we can find and enjoy so many great videos and visualizations!

youtu.be/_NgBE1pMRJM
yeshe: (eye)
Меня измучили вопросами о том, каково это — взлетать в космическом корабле. Скажу одно: это громко, очень-очень громко.

БОЛЬШИЕ ФОТОГРАФИИ - ЗДЕСЬ

А цитаты: под катом

Read more... )

May 2023

S M T W T F S
 1234 56
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031   

Syndicate

RSS Atom

Most Popular Tags

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags
Page generated Jun. 18th, 2025 11:03 am
Powered by Dreamwidth Studios