Svart hull og indiske forskere

Nobelprisvinneren for fysikk Roger Penroses arbeid med det sorte hullet bygger på arbeidet til forskere før ham. Blant dem mange indianere.

svart hull, forskere svart hull, indiske forskere nasa, indiske forskere svart hull oppdagelse, siste nytt, indisk ekspressDen moderne historien begynner med Subrahmanyan Chandrasekhar som i 1930 gjorde den oppsiktsvekkende oppdagelsen at det er en maksimal masse som en hvit dverg kan ha. Dette er omtrent 1,4 ganger massen til solen vår. (Kilde: Chandra X-ray Observatory)

Av Naresh Dadhich og Ajit Kembhavi

Den store engelske fysikeren Sir Isaac Newton hadde berømt sagt: Hvis jeg har sett lenger enn andre, er det ved å stå på skuldrene til kjemper. Dette gjelder generelt i vitenskapen. Ingen oppdagelse gjøres uten at man står på noen skuldre, lavt eller høyt.

La oss se etter de mulige skuldrene Roger Penrose kan stå på, mens han ser dannelsen av svarte hull som den uunngåelige slutttilstanden til en stjerne med stor masse i Albert Einsteins gravitasjonsteori, også kjent som den generelle relativitetsteorien. Penroses arbeid er i nyhetene for tiden fordi det har vunnet ham årets Nobelpris i fysikk. Han har delt prisen med to andre astronomer for deres uavhengige arbeid med å oppdage svært store masser som antas å være et svart hull i sentrum av vår egen Melkeveisgalakse.

Den første indiske forbindelsen til begrepet svart hull er en beryktet hendelse i 1756, da Nawab Siraj-ud-Daulah klemte 146 britiske soldater inn i et fangehull i Fort William, som ble kjent som Black Hole of Kolkata. (Generalpostkontoret i Kolkata står på denne siden for øyeblikket. Ikke rart, innbyggere i Kolkata klager over at det ikke kommer noe brev fra stedet!)

Det er interessant at den første oppfatningen av et sort hull som en vitenskapelig mulighet kom ganske snart. I 1784 hevdet den britiske presten og vitenskapsmannen John Michell og to år senere den store franske matematikeren Pierre Simon Laplace at hvis en gjenstand er veldig massiv og tett, kan gravitasjonen være så sterk at selv lys ikke kan unnslippe den. En slik gjenstand, hvis den eksisterer, ville være helt svart og usynlig - et svart hull!

Den moderne historien begynner med Subrahmanyan Chandrasekhar som, etter sin BSc i Madras, dro til Cambridge, England, i 1930 for høyere studier. På reisen til Cambridge gjorde han interessante beregninger på hvite dverger. Inntil da trodde man at alle stjerner ville ende livet sitt ved å bli en hvit dverg. Dette er en veldig gåtefull gjenstand, som støtter seg mot tyngdekraften på grunn av trykket som utøves av elektroner. I sin matematiske undersøkelse av slike objekter kombinerte den unge Chandrasekhar Albert Einsteins relativitetsteori og den da nye teorien om kvantemekanikk. Han gjorde den oppsiktsvekkende oppdagelsen at det er en maksimal masse som en hvit dverg kan ha. Dette er omtrent 1,4 ganger massen til solen vår. En hvit dverg med masse større enn denne verdien, nå kalt Chandrasekhar-grensen, må nødvendigvis kollapse. Dette var en veldig stor oppdagelse. Det er en annen sak at Sir Arthur Eddington, uten tvil den mest innflytelsesrike og kreative astrofysikeren på dagen, ikke aksepterte Chandrasekhars monumentale oppdagelse og kritiserte den på en ganske uvitenskapelig måte. Sistnevnte fikk den siste latteren da han ble tildelt Nobelprisen for sitt arbeid med hvite dverger i 1983.

Hva skjer når en stjerne ikke kan avslutte livet som hvit dverg fordi den er for massiv? Det viser seg at når en stjerne fortsetter å kollapse, blir den til slutt så tett at nesten all materie i den blir omdannet til kjernefysiske partikler kalt nøytroner. Disse nøytronene kan, som elektronene i hvite dverger, utøve press for å motvirke kollapsen, noe som fører til dannelsen av et stabilt objekt kalt en nøytronstjerne. En slik gjenstand er så tett at bare en skje av materien vil veie det samme som hele menneskeheten. Selv et slikt objekt har en begrensende masse på omtrent tre ganger solens masse.

Hvis en nøytronstjerne er mer massiv enn denne grensen, må den kollapse på ubestemt tid siden det ikke er noen tilgjengelig trykkkilde i den nåværende teorien for å motstå den. Den kollapser helt ned til null størrelse og uendelig stor tetthet - en singularitet. Selv før objektet når dette stadiet, blir det så kompakt at lyset ikke lenger kan unnslippe det - det dannes et sort hull! Dette resultatet er basert på Einsteins teori om generell relativitet, der gravitasjon og romtidsgeometri er vakkert syntetisert. Tyngdekraften er beskrevet ved krumning i romtid. Det er derfor svarte hull i generell relativitetsteori er mer dyptgripende og bisarre objekter enn de sorte hullene i Newtons gravitasjonsteori beskrevet av Michell og Laplace.

Matematikken for en slik kollaps ble først utarbeidet av Bishveshwar Datt fra Kolkata i 1938. Like etter å ha oppnådd det viktige resultatet, døde han på operasjonsbordet mens han ble operert for brokk. Et år senere oppnådde Robert Oppenheimer (som er kjent som faren til den første atombomben) og David Snyder i USA det samme resultatet som Datt gjorde, som er kjent som Oppenheimer-Snyder-kollapsen.

Dette var årene under andre verdenskrig, som hadde gjort informasjonsflyten fra India til utlandet vanskelig. På grunn av denne grunnen, og Datts triste og utidige bortgang, forble bidraget hans ubesunget til 1999, da Journal of General Relativity and Gravitation oppdaget ham og trykket det originale papiret på nytt. I all rettferdighet bør resultatet som legger grunnlaget for dannelse av sorte hull betegnes som Datt-Oppenheimer-Snyder (DOS) kollaps.

I 1953 oppnådde Amal Kumar Raychaudhuri, en foreleser ved Ashutosh College, Kolkata, en bemerkelsesverdig ligning, som bærer navnet hans. Dette styrer utviklingen av et system av partikler i henhold til Einsteins gravitasjonsteori. Det er Raychaudhuri-ligningen som i all alminnelighet fastslår det dype resultatet at forekomsten av en singularitet er uunngåelig i generell relativitet. Det tidligere arbeidet til Datt, Oppenheimer og Snyder hadde gjort forenklede antakelser som ikke ble brukt av Raychaudhuri i hans banebrytende arbeid.

På midten av 1960-tallet kom Stephen Hawking og Roger Penrose, som bygde på Raychaudhuris ligning og brukte globale analyseteknikker, til den dype spådommen at dannelsen av sorte hull med en singularitet i sentrum er uunngåelig i Einsteins gravitasjonsteori. De viste seg å være svært kraftige teoremer som etablerte resultatet matematisk og strengt. Det er dette viktige verket som er ansvarlig for Nobel til Penrose. Hawking kunne ikke inkluderes i prisen siden den ikke deles ut til avdøde personer.

Selv om Raychaudhuri-ligningen fører til konklusjonen om at singularitet er uunngåelig i gravitasjonskollaps i generell relativitet, er det de kraftige teoremene til Hawking og Penrose har vist ved å bruke de globale analyseteknikkene at etter hvert som kollapsen fortsetter, ville det dannes fangede overflater av hvilken materie. kan ikke unnslippe. I hovedsak forklarer teoremene prosessen med dannelse av svarte hull i form av romtidsgeometri. Svart hull er bisarr og eksotisk rett og slett fordi det er et rent geometrisk objekt.

Dyphetsrekkefølgen i fysikk fortsetter som følger. På toppen er oppdagelsen av en ny fysikklov. Så kommer ligningene som styrer oppførselen til ulike fysiske systemer, som kollapsende stjerner eller det ekspanderende universet. Og til slutt har vi forskjellige viktige, nyttige og interessante resultater som følger av ligningene. Einsteins gravitasjonsteori førte til mange dype resultater om sorte hull, det ekspanderende universet og så videre. Rollen til Raychaudhuris ligning er tydelig i dette hierarkiet.

I 1966 stilte Fred Hoyle og Jayant Narlikar følgende spørsmål: Hvor massiv bør en stjerne være for å stoppe den kosmiske utvidelsen av det omkringliggende stoffet og danne en galakselignende struktur? De fant ut at den må ha omtrent en milliard ganger solens masse. Dermed argumenterte de for at sentrum av en galakse som vår burde huse en supermassiv stjerne. De to observatørene, Andrea Ghez og Reinhard Genzel, har delt Nobelprisen med Penrose for å ha funnet et supermassivt objekt (det er det sitatet sier) i sentrum av galaksen vår. Det er en utbredt oppfatning at dette objektet er et svart hull. Det er interessant at det Hoyle og Narlikar hadde spådd for over et halvt århundre siden nå faktisk er blitt observert.

1960-70-tallet var svært ladede tider for store oppdagelser innen relativistisk astrofysikk og kosmologi. Selv om løsningen som beskriver et svart hull ble oppnådd umiddelbart etter at Einstein oppdaget ligningen hans, ble det ikke forstått som et svart hull før på 1960-tallet, godt 45 år senere. Det kan bemerkes at begrepet svart hull ble laget av John Wheeler først i 1967, mens han svarte på et spørsmål fra publikum på en konferanse i New York.

Den mest interessante løsningen av Einsteins ligninger som beskriver et roterende sort hull ble oppdaget i 1963 av den newzealandske fysikeren Roy Kerr. En annen betydningsfull oppdagelse var den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen ved en temperatur på 2,7 Kelvin (omtrent -270 grader Celsius), som var den største forutsigelsen av big-bang-teorien om universet. Universet hadde en enestående begynnelse i et varmt big-bang, og den observerte mikrobølgestrålingen bærer denne meldingen og signaturen.

Scenen var dermed satt for den store oppdagelsen og forutsigelsen om at dannelsen av sorte hull og følgelig den sentrale singulariteten er uunngåelige trekk ved Einsteins gravitasjons-generelle relativitet.

Naresh Dadhich er en teoretisk fysiker, tidligere ved Inter-University Center for Astronomy and Astrophysics (IUCAA) i Pune. Ajit Kembhavi er astrofysiker ved IUCAA