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

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. 15th, 2025 08:50 am
Powered by Dreamwidth Studios