شرح خبر

یک آنالیز عددی دراختلالات یک سیاهچاله ی باردار می تواند نشانه ای باشد از این که پیش بینی های قوانین فیزیک در نسبیت عام صحیح نباشند.




شکل 1: رمبش گرانشی یک ستاره ی باردار کروی شکل هنگامی که به سیاهچاله ی باردار تبدیل می گردد. در اینجا تنها مولفه های شعاع و زمان متغیر می باشند. توجه داشته باشید که پرتو های نور با زاویه 45 درجه نسبت به افق از مرکز ستاره خارج می گردند یا به طرف مرکز ستاره می روند. بینهایت یعنی نقطه ای که در فاصله ی بسیار دور از ستاره در فضا-زمان قرار دارد. سیاهچاله مکانیست که داخل افق رویداد می باشد. براساس داده های حالت پایه، ستاره پیش از رمبشدر سطحی که مشخص شده است قرار دارند. ناحیه ی فضا-زمان که با استفاده از داده های حالت پایه بدست می آید توسط افق کوشی دچار خمش شده است. ناحیه ای از فضا-زمان که در شکل با علامت سوال نشان داده شده است را نمی توان با داده های حالت پایه پیش بینی کرد. این نمودار مسیر ناظر را هنگامی که از افق کوشی می گذرد نشان می دهد. معادلات افق رویداد قوی پنروز نشان می دهد که افق کوشی بسیار ناپایدار می باشد اما تحقیقات کوردوسو و همکارانش نشان می دهد که این نیجه گیری در صورتی که ثابت کیهان شناسی مثبت باشد، صحیح نمی باشد.

آیا آینده قابل پیش بینی می باشد؟ اگر ما شرایط اولیه کی سیستم را بدانیم، آیا قوانین فیزیک قادر به پیش بینی حالت سیستم در آینده خواهند بود؟

در مکانیک نیوتنی جواب مثبت می باشد. به طور مشابه در الکترومغناطیس: اگر کسی شرایط اولیه میدان های الکتریکی و مغناطیسی را بداند، می تواند با استفاده از معادلات ماکسول، حالت میدان ها را در آینده پیش بینی نماید.

در مکانیک کوانتمی، اگر تابع موج حالت اولیه را بدانیم، با استفاده از معادلات شرودینگر قادر به پیش بینی تابع موج در آینده خواهیم بود. اما با تحقیقات جدید انجام شده توسط ویتور کاردوسو Vitor Cardosoو همکارانش از دانشگاه لیسبون در کشور پرتقال، نشان دادند که پیش بینی با قوانین فیزیک می تواند نتایج غلطی در نسبیت عام به ما بدهد. محققان دریافتند که این امکان وجود دارد که یک ستاره با رمبش گرانشی به سیاهچاله تبدیل شود و قوانین فیزیک دیگر قادر به پیش بینی ناحیه ای از سیاهچاله براساس شرایط اولیه ستاره نخواهند بود.

نظریه ی نسبیت عام، براساس معادلات اینشتین، فضا-زمان را دارای دینامیک در نظر می گیرد. شرایط اولیه یک ذره با اندازه گیری سرعت و مکان آن بدست می آید و همچنین شرایط اولیه فضا-زمان نیز با هندسه ی فضا در یک بازه ی زمانی بدست می آید. با استفاده از داده های مربوط به شرایط اولیه، یک قضیه ی بنیادین در نسبیت عام، به این صورت است که بیان می کند توسعه بیشینه ی کوشی maximal Cauchy development وجود دارد. این بزرگترین ساختار فضا-زمان موجود در جهان می باشد که با استفاده از داده های شرای اولیه بدست می آید اما سوال اینجاست که آیا همیشه ساختار فضا-زمان اینگونه است؟ به عبارت دیگر، آیا توسعه بیشینه ی کوشی یک زیرمجموعه ای از یک فضا-زمان بزرگتر خواهد بود؟ براساس توسعه بیشینه کوشی، ساختار بزرگتر فضا-زمان قابل پیش بینی توسط شرایط نمی باشد. این مسئله نادرستی پیش بینی های قوانین فیزیک را نشان می دهد که ما با استفاده از داده های حالت پایه قادر به پیش بینی حالت فضا-زمان در آینده خواهیم بود.

معادلات افق رویداد راجر پنروز، نشان می دهد که این اتفاق به وقوع نخواهد پیوست. این معادلات نشان می دهند که توسعه بیشینه ی کوشی در حالت پایه هیچ ارتباطی به ساختار گسترده ی فضا-زمان ندارد. (پنروز علاوه بر این، نظریه سانسور کیهانی Cosmic censorship hypothesis با بیان ضعیف آن را بوجود آورد که رمبش گرانشی ستاره موجب ایجاد تکینگی در فضا-زمان خواهد شد، که همیشه در داخل افق رویداد قرار دارد و تکینگی توسط ناظر خارج از افق قابل روئت نیست.)

سیاهچاله های باردار یک نمونه ای برای بررسی نظریه سانسور کیهانی پنروز می باشند. سیاهچاله ها از رمبش گرانشی ستارگان بسیار پرجرم، باردار و کروی شکل بوجود آمده اند.(به شکل 1 توجه فرمایید.) سوال اینجاست که برای داده های مختص شرایط اولیه که برای ستاره ای که هنوز نرمبیده است، توسعه بیشینه ی کوشی برابر با چه مقدار می باشد؟

سیاهچاله براساس حل معادلات اینشتین که معمولا به حل ریسنر-نوردستروم معروف هستند تعریف می شود. در سیاهچاله ی ریسنر-نوردستروم، توسعه بیشینه ی کوشی مختص کل فضا-زمان نمی باشد بلکه تنها تا یک مرز معینی جواب خواهد داد که آن مرز را اصطلاحا افق کوشی در سیاهچاله می نامند. فضا-زمان تا پیش از افق کوشی در حالت معمولی یا پایه قرار دارد اما پس از گذر از افق کوشی به شدت دچار خمش شده و به بینهایت میل می کند که کاملا با معادلات اینشتین در تطابق می باشد. پس در نتیجه، توسعه بیشینه ی کوشی تنها بخشی از سطح گسترده ی فضا-زمان می باشد که این مسئله با نظریه سانسور کیهانی با بیان قوی پنروز در تناقض می باشد.

اما این مثال، نظریه سانسور کیهانی قوی پنروز را نقض نمی کند چرا که افق کوشی ناپایدار می باشد. اگر شرای اولیه کمی دستخوش تغییر شود، تقارن کروی ستاره بهم خواهد ریخت و سپس فضا-زمان تغییر یافته دیگر افق کوشی را تشکیل نمی دهد اما با این وجود تکینگی (خمش بینهایت فضا-زمان) در همان جایی که افق کوشی قرار بود بوجود بیاید، تشکیل می شود. این ناپایداری ها به علت وجود یک ویژگی مهم در معادلات پنروز می باشد که عبارتست از کلی بودن آن ها است که تنها افق کوشی پایدار را شامل نمی شود.

نظریه های سانسور کیهانی پنروز بسیار با ارزش هستند اما اینکه آیا می توانند آینده را پیش بینی کنند یا خیر مشخص نیست.

در معادلات اینشتین از ثابت کیهان شناسی () استفاده شده است که می تواند دلیل انبساط شتابدار عالم را باشد. رصد های انجام شده نشان می دهد که بسیار کوچک است اما برابر صفر نمی باشد و عددی مثبت است.

کوچک بودن حاکی از آن دارد که برای بررسی سیاهچاله ها می توان آن را صرف نظر کرد. اما میزان ناپایداری افق کوشی بستگی به میزان اختلالات ناشی از تبخیر سیاهچاله دارد طوری که هرچه تبخیر بیشتر باشد، میزان ناپایداری افق کوشی کم تر است.

هنگامی که مثبت باشد و ما از آن صرفنظر کنیم، تغییرات ناشی از تبخیر سیاهچاله سریع تر خواهند بود. این درحالیست که هنگامی که مثبت باشد تغییرات ناشی از تبخیر سیاهچاله آهسته و کم می باشد.

برای تغییرات خطی ناشی از تبخیر سیاهچاله، میزان تبخیر با استفاده از مشاهده ی نوسان های امواج گسیل شده از سیاهچاله بدست می آید. تحقیقات اخیر حاکی از آن دارد که میزان استحکام و پایداری افق کوشی از طریق نیمه عمر سیاهچاله ها با میزان تبخیر کم بدست می آیند.

در تحقیقات آنها، کاردوسو و همکارانش از روش های عددی به منظورتعیین نوسان های سیاهچاله ی ریسنر- نوردستورم با بزرگتر از صفر استفاده شده است. آنها آهسته ترین تبخیر را برای سیاهچاله ها با جرم ها و بارهای گوناگون محاسبه نموده اند. هنگامی که آنها این نتایج بدست آمده را با آنچه در تغییرات غیر خطی افق کوشی با ناپایداری بزرگتر از صفر به دست می آید مقایسه کرده اند.

منحنی تغییرات در فضا-زمان در افق کوشی ظاهر می شوند. برای بیشتر سیاهچاله های ریسنر- نوردستروم، نظریه سانسور کیهانی قوی پنروز قابل قبول می باشد. اما اگر بار سیاهچاله به بیشینه ی مقدار ممکن نزدیک باشد، واگرایی انحنا به قدر کافی خوش تعریف می باشد که معادلات اینشتین را می توان برای افق کوشی نوشت. فضا-زمان تغییر یافته می تواند به طور گسترده علاوه بر افق کوشی در جاهای دیگر نیز وجود داشته باشد که آنرا اصطلاحا حل ضعیف معادلات اینشتین می نامند که با معادلات قوی افق رویداد پنروز در تناقض می باشند.

در چنین مواردی، واگرایی انحنا در افق کوشی شباهت زیادی با امواج شوک در جامدات و گاز ها دارد. به نظر می رسد که تکینگی بسیار ضعیف می باشد طوری که اجسامی که از آن می گذرند را تنها فشرده می کند اما نابود نمی کند. پس ما می توانیم یک ناظری را در حال سقوط به داخل سیاهچاله فرض کنیم که از افق کوشی می گذرد که در این صورت این که چه بلایی به سر آن ناظر خواهد آمد اصلا قابل پیش بینی نمی باشد.

اثبات درستی این فرضیه نیاز به درک بهتر از اثرات ناشی از تغییرات غیر خطی دارد. اگر درک بهتری پیدا کنیم می توانیم: 1- نظریاتی که در خصوص تغییرات نیروی گرانش در خارج از سیاهچاله می باشند(و به صورت غیر خطی هستند) را در افق کوشی بررسی نماییم. 2- به پیشرفت های اخیر در خصوص شناخت تغییرات حالت موجود در سیاهچاله ها با مثبت آگاه شویم.

سیاهچاله های باردار از موضوعات اخترفیزیک نمی باشد، چرا که عدم تعادل بار ها در طبیعت وجود خارجی ندارد. اما سیاهچاله های چرخان بدون بار دارای یک افق کوشی ناپایدار می باشند. تحقیق در مورد چنین سیاهچاله هایی بسیار دشوار تر از سیاهچاله های ریسنر-نوردستروم می باشد چرا که سیاهچاله های چرخان از تقارن های مختص اجرام چرخان کمتر از سیاهچاله های ریسنر-نوردستروم پیروی می کنند. این واقعا جالب است که بفهمیم سیاهچاله های چرخان بدون بار با مثبت چگونه اند.

مباحث مربوط به سیاهچاله های باردار نشان می دهد که سیاهچاله هایی که چرخش تندی دارند می توانند معادلات نظریه سانسور کیهانی پنروز را نقض کنند.

در انتها، مبحث این قسمت به نسبیت عام کلاسیک اختصاص یافته است اما با این حال، واگرایی انحنا می تواند اثرات کوانتمی بر روی اجسام نزدیک افق کوشی بگذارد. احتمال دارد که این اثرات کوانتمی موجب تقویت ناپایداری افق کوشی و همچنین موجب بالا رفتن توانایی ما در پیش بینی سیاهچاله ها خواهد شد.


ترجمه خبر: امیر علی توجه

منبع خبر: وبگاه APS


هاروی رئال: دپارتمان ریاضی کاربردی و فیزیک نظری دانشگاه کمبریج، انگلستان

منابع:

1- V. Cardoso, J. L. Costa, K. Destounis, P. Hintz, and A. Jansen, “Quasinormal Modes and Strong Cosmic Censorship,” Phys. Rev. Lett. 120, 031103 (2018).

2- Y. Choquet-Bruhat and R. P. Geroch, “Global Aspects of the Cauchy Problem in General Relativity,” Commun. Math. Phys. 14, 329 (1969).

3- R. Penrose, “Singularities of Spacetime,” in Theoretical Principles in Astrophysics and Relativity, edited by N. R. Liebowitz, W. H. Reid, and P. O. Vandervoort (Chicago University Press, Chicago, 1978), p. 217[Amazon][WorldCat].

4- M. Simpson and R. Penrose, “Internal Instability in a Reissner-Nordström Black Hole,” Int. J. Theor. Phys. 7, 183 (1973).

5- E. Poisson and W. Israel, “Internal Structure of Black Holes,” Phys. Rev. D 41, 1796 (1990).

6- M. Dafermos, “The Interior of Charged Black Holes and the Problem of Uniqueness in General Relativity,” Commun. Pure Appl. Math. 58, 0445 (2005).

7- F. Mellor and I. Moss, “Stability of Black Holes in De Sitter Space,” Phys. Rev. D 41, 403 (1990).

8- P. Hintz and A. Vasy, “Analysis of Linear Waves near the Cauchy Horizon of Cosmological Black Holes,” J. Math. Phys. 58, 081509 (2017).

9- J. L. Costa, P. M. Girão, J. Natário, and J. D. Silva, “On the Occurrence of Mass Inflation for the Einstein-Maxwell-Scalar Field System with a Cosmological Constant and an Exponential Price Law,” arXiv:1707.08975.

10- P. Hintz and A. Vasy, “The Global Non-Linear Stability of the Kerr-de Sitter Family of Black Holes,” arXiv:1606.04014

نویسنده: هاروی رئال

استاد فیزیک نظری دانشگاه کمبریج

او مدرک دکترای خود را از دانشگاه کمبریج در سال 2000 گرفت و دوره ی فوق دکترا را در دانشگاه کویین ماری در لندن و در دانشگاه کالیفرنیا در سانتا باربارا گذراند. او به عنوان مدرس در دانشگاه ناتینگهام در سال 2005 پذیرفته شد و در سال 2007 به عنوان عضوی از هیئت علمی شناخته شد.



نویسنده خبر: شانت باغرام
کد خبر :‌ 2432
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com