Од среде, 4. септембра, до петка, 6. септембра, у палати Српске академије науке и уметности (САНУ) у Београду одржава се престижна научна конференција „Црне рупе и хаос“ (Black Holes and Chaos). На конференцији ће учествовати неколико изузетних истраживача који долазе из најугледнијих светских институција као што су Беркли, Харвард, Вајцман, Кембриџ, Санта Барбара и друге.
„Последњих десетак година црне рупе су у фокусу теорије струна и уопште квантне гравитације, с једне стране због информационог парадокса црних рупа, а с друге стране као важан пробни камен – јер, упркос многим сложеним проблемима (као што је управо поменути информациони парадокс), црне рупе су и даље једноставније од многих других система који се у квантној гравитацији појављују“, каже др Михаило Чубровић, истраживач из Института за физику у Београду и један од чланова Организационог одбора конференције.
Врло запажен у овој области, Чубровић објављује радове у часописима као што су Journal of High Energy Physics, Physical Review и Science, а у Институту за физику је један од повратника који су каријеру започели у иностранству и вратили се у Србију. Чубровић је докторирао на Универзитету у Лајдену, а потом је радио и на Универзитету у Келну, да би се 2017. године вратио у Институт за физику у Београду. Заједно са Маријом Томашевић из Амстердама, Кирилом Христовим из Софије, Сашо Гроздановим из Љубљане, Браниславом Цветковићем и Иваном Ђикићем из Института за физику у Београду сада организује конференцију посвећену црним рупама и хаосу.
У Београду се, иначе, свакодневно одржавају научне конференције, али је ова нарочито занимљива јер су њена тема врло чудни космолошки објекти који су на самом фронту модерне науке, а да, истовремено, у Београд тим поводом долазе најугледнија имена у овој области науке. Циљ саме конференције је да младе истраживаче из нашег региона повеже са водећим светским истраживачима у областима које се тичу истраживања црних рупа. Конференцију организују Институт за физику у Београду и Математички институт САНУ.
„Сада детаљи физике црних рупа постају доступни и посматрачким техникама, што целу ствар чини, дакако, још занимљивијом“, каже Чубровић у разговору за интернет портал Института за физику који су са њим уочи конференције водили Јована Николић и Слободан Бубњевић из Одељења комуникација Института.
Kолико са таквим, данашњим ступњем развоја експерименталних техника и доступних инструментата можемо да сазнамо о црним рупама у поређењу са оним што су теоријска предвиђања?
МИХАИЛО ЧУБРОВИЋ: Основни проблем у вези посматрања црних рупа је јасан – пошто су црне и не емитују светлост, није могуће посматрати их директно. Но, заобилазни путеви постоје. Један је преко гравитационог дејства – ако је црна рупа члан двојног или вишеструког звезданог система, из путања осталих звезда може се одредити маса црне рупе. На сличан начин може се грубо проценити и маса великих црних рупа у центрима многих галаксија (па и наше), с тим што се ту ради о огромном броју звезда које орбитирају око црне рупе у центру, а њихове орбите су због многобројних блиских пролазака веома компликоване и хаотичне, па је и одређивање масе црне рупе статистичке природе.
Али одређивање масе као јединог податка и није неко импресивно достигнуће. Други заобилазни пут, такође већ дуго познат, дугујемо ефекту гравитационог сочива – он омогућава да сазнамо више. Пошто гравитација делује и на светлост (баш зато црне рупе и јесу црне), црна рупа скреће светлост која пролази на извесном растојању од ње – не толико да би је апсорбовала, али довољно да деформише лик извора (рецимо неке звезде, удаљеније од црне рупе, али која се види у скоро истом правцу). На основу ове деформације може се закључити штошта о метрици простор-времена у близини црне рупе, те одатле добијамо информацију да ли црна рупа ротира, колики је пречник њеног хоризонта и још понешто. Ово је већ боље, но зависи од среће – да ли иза црне рупе постоји извор светлости која скреће у њеном пољу.
Трећи начин је посматрање акреционог диска. Док смо претходно посматрали гравитационо дејство црне рупе на светлост, овде посматрамо њено гравитационо дејство на материју – на пример гас или плазму оближње звезде (опет у двојном или вишеструком систему) коју црна рупа привлачи. Пре него што упадне, ова материја неко време орбитира око црне рупе, и из облика и сјаја акреционог диска се о овим орбитама може нешто закључити, а одакле поново добијамо информације о маси, величини и ротацији црне рупе.
Први снимци црних рупа изазвали су велику пажњу пре седам година…
Kоришћењем наведених техника постојање астрофизичких црних рупа је дефинитивно утврђено. Оне, како смо поменули, могу бити или бивше звезде довољно велике масе да после експлозије супернове колапсирају у црну рупу и тада их откривамо ако су чланови вишеструких звезданих система, или пак могу бити огромне црне рупе у центрима галаксија, настале вероватно сударима и спајањем мноштва нормалних звезда, услед њихове велике концентрације у центру галаксије. Ипак, уистину узбудљиве ствари на пољу посматрања почеле су да се догађају тек од 2017. године. Тада је Event Horizon Telescope (EHT), систем више великих радио-телескопа (углавном у милиметарском и субмилиметарском опсегу) на разним континентима, подешених тако да раде као један интерферометар, снимио сенку и фотонски прстен црне рупе у центру галаксије М87. Kасније је снимљена и црна рупа у центру наше галаксије.
Како је то уопште могуће учинити?
Ваља прво објаснити шта су сенка и фотонски прстен. Црна рупа, пре свега, има хоризонт – то је њена граница: све што пређе хоризонт не враћа се. Непосредно ван хоризонта, налазе се орбите које му се приближавају – још нису упале, али већина њих ће упасти; и за оне које не упадају, довољан је мали поремећај па да упадну. Даље од хоризонта напротив већина орбита је безбедна, и само ретке, посебно одабране путање завршиће у црној рупи. Ова два подручја одељена су фотонском сфером – њу чине орбите које су управо на седластим тачкама. Ове орбите вечно круже по фотонској сфери, али неке од њих су стабилне, а неке нестабилне. Унутар фотонске сфере налази се сенка црне рупе – то је део који је таман, иако црној рупи не припада; из њега светлост може да изађе али већина зрака ипак бива, мноштвом малих поремећаја, постепено гурнута у црну рупу, те због тога сенка изгледа тамна.
Испоставља се да се из орбита на фотонској сфери, из њене структуре и из облика сенке црне рупе може извући веома много информација – много више него претходно наведеним методама. Интерферометријска посматрања попут оних са EHT управо дају релативно фину структуру фотонске сфере. Из ње се, на пример, могу очитати термодинамичке особине црне рупе, као што је температура, као и спектар квазинормалних мода. Kвазинормалне моде су пригушене осцилације просторвремена до којих долази када црна рупа реагује на неки поремећај, на пример апсорбује светлост или материју. Спектар квазинормалних мода је нешто попут ДНK црне рупе – из њега се донекле могу реконструисати чак и ефекти квантне гравитације, што је од свега најузбудљивије. Ипак, не треба се прерано радовати – прецизност EHT снимака још увек је ограничена, те је спектар квазинормалних мода тек врло грубо реконструисан. Али је први корак ипак начињен, а колико се из ограничених посматрачких података може извући ствар је и развијености саме теорије.
Колико из ових „посматрачких“ података сазнајемо о стању црне рупе?
Ту и лежи важно питање за теоретичаре – може ли се из ограничене количине података реконструисати микростање црне рупе? Испоставља се да се неке – али само неке! – особине могу одредити из малог скупа података, захваљујући универзалном карактеру црних рупа. Ту видимо, на почетку поменуту, једноставност црних рупа. Постоји неколико важних а једноставних релација које црне рупе задовољавају. На пример, црне рупе су вероватно најхаотичнији објекти у природи (ово је MSS – Maldacena-Shenker-Stanford хипотеза).
Хаос је неочекивано постао тема уско повезана и са црним рупама.
Њихов експонент нестабилности (Љапуновљев експонент) једноставно је повезан са температуром, и може се одредити управо из квазинормалних мода (тачније из њиховог имагинарног дела). Затим, у термодинамичком смислу, црне рупе су описане стандардним законима термодинамике (од нултог до трећег), а величине попут масе, угаоног момента, наелектрисања могу се из посматрања већ сада измерити. Но, ту настаје и проблем – информациони парадокс. Али, то је широка тема која би нас одвела ван оквира ове дискусије, но рецимо само да, када се загребе дубље и размотри Хокингово зрачење, тј. зрачење црне рупе (које са становишта класичне физике не може да постоји али квантномеханички мора постојати, јер свако тело на коначној температури зрачи), ово зрачење мора да се понаша другачије од уобичајеног термалног зрачења (на пример зрачења влакна сијалице), у супротном или морамо одустати од квантне механике или од квазикласичне слике гравитације. По свему судећи, више смисла има одустати од уобичајене слике гравитације (на крају крајева, знамо да се она мора модификовати да би се описао дубококвантни режим).
Може се заобићи информациони парадокс?
Важан теоријски продор у овом смеру је идеја реплика и црвоточина из 2019. године – у извесном смислу, геометрија црне рупе по овој идеји није једна, већ треба сабрати све могуће геометрије које задовољавају граничне услове које теорија намеће, укључујући и црвоточине, решења која повезују различите просторе. Kада израчунамо збир по свим репликама, информациони парадокс се вероватно може избећи. Али, које су опсервабилне последице оваквог сценарија? Чини се да их треба тражити у малим али коначним одступањима од једноставне и универзалне слике какву обично имамо о црним рупама. На пример, Љапуновљев експонент црне рупе могао би бити близак максималној вредности (датој МСС неједнакошћу), али ипак нешто мањи од ње; термодинамика би била блиска уобичајеној равнотежној термодинамици, али ипак са невеликим одступањем од равнотеже. Неке од ових хипотеза ће у блиској будућности моћи да буду проверене и посматрањима.
Може ли се рећи да смо дошли до новог разумевања ових чудних објеката?
После свега, можемо да закључимо да се теорија и експеримент (заправо посматрања) на пољу црних рупа ипак приближавају, мада је контакт још увек ограничен. Могућност да чак поједини квантни ефекти буду директно посматрани је посебно привлачна, и нешто што се дуго и није очекивало. Може се приметити да смо на више места до сада у овом контексту помињали нестабилност и хаос – Љапуновљеви експоненти црне рупе, стабилне и нестабилне орбите на фотонској сфери, неравнотежна термодинамика… Према томе, теорија хаоса, црне рупе и теорија струна данас су блиско повезане и многи проблеми су заједнички. Заиста, то је један развој догађаја који би до пре десетак година звучао крајње невероватно! То је и мотив организације овакве конференције, фокусиране управо на дијагностику црних рупа путем хаоса и упознавање хаоса преко црних рупа. Тренутак је можда управо идеалан да се направи пресек ових области, како би кренуло даље ка квантној гравитацији.
Фото: Бојан Џодан, EHT
ЦРНЕ РУПЕ И ХАОС
САНУ, 04-06. септембар 2024.
Више информација, као што су програм и сатница предавања, можете пронаћи на сајту конференције