แบบจำลองทางทฤษฎีให้มุมมองใหม่เกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของหลุมดำ

แบบจำลองทางทฤษฎีให้มุมมองใหม่เกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของหลุมดำ

เครดิต: Husain et al

หลุมดำเป็นพื้นที่ในอวกาศที่มีลักษณะเป็นสนามโน้มถ่วงที่รุนแรงมากจนไม่ว่ารังสีใด ๆ จะหนีออกจากหลุมดำได้ พวกมันคือคำตอบของสมการสนามของไอน์สไตน์ โดยมีจุดความหนาแน่นอนันต์ที่ไม่มีจริงอยู่ที่จุดศูนย์กลาง

จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแบบคลาสสิก สสารทั้งหมดที่ก่อตัวเป็นหลุมดำไปสิ้นสุดที่ใจกลางของหลุมดำ การคาดการณ์เฉพาะนี้เรียกว่า “ปัญหาภาวะเอกฐาน”

ในงานชิ้นหนึ่งของเขา Stephen Hawking แสดงให้เห็นว่าหลุมดำแผ่พลังงานออกมาและค่อยๆหายไป อย่างไรก็ตาม งานของเขาชี้ให้เห็นว่ารังสีที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำไม่มีข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับสสารที่ก่อตัวขึ้น ในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เรียกว่า “ปัญหาการสูญหายของข้อมูล”

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนิวบรันสวิกในแคนาดาได้พัฒนาแบบจำลองทางทฤษฎีที่จะจัดการกับปัญหาภาวะเอกฐานและปัญหาการสูญหายของข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันก็ให้ความกระจ่างมากขึ้นเกี่ยวกับการที่สสารยุบตัวเพื่อก่อตัวเป็นหลุมดำ แบบจำลองที่พวกเขาคิดค้น นำเสนอในบทความที่ตีพิมพ์ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพเสนอมุมมองอื่นเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของหลุมดำมากกว่าที่เสนอโดยทฤษฎีคลาสสิก

Viqar Husain Jarod George Kelly, Robert Santacruz และ Edward Wilson-Ewing นักวิจัยกล่าวว่า “คำถามเกี่ยวกับชะตากรรมของหลุมดำและสิ่งที่เกิดขึ้นกับสสาร (หรือข้อมูล) ที่ก่อตัวขึ้นนั้น เป็นปัญหาที่เปิดกว้างมากว่า 50 ปีแล้ว” ผู้ทำการศึกษาบอก Phys.org ทางอีเมล “เป็นที่เชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าต้องใช้ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมในการแก้ปัญหานี้ เรารู้มากเกี่ยวกับการยุบตัวของสสารก่อให้เกิดหลุมดำในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่คำถามว่าการยุบตัวเกิดขึ้นในแรงโน้มถ่วงควอนตัมนั้นเป็นปัญหาที่เปิดอยู่เช่นกัน”

วัตถุประสงค์หลักของงานล่าสุดของ Husain และเพื่อนร่วมงานของเขาคือการแนะนำแบบจำลองที่แก้ไขปัญหาภาวะเอกฐานและการล่มสลายของแรงโน้มถ่วงได้อย่างแม่นยำในเวลาเดียวกัน ในการทำเช่นนี้ พวกเขาใช้โครงสร้างของแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนซ้ำเพื่อรวมความไม่ต่อเนื่องพื้นฐานของอวกาศในสมการคลาสสิกที่อธิบายการยุบตัวของแรงโน้มถ่วง

Husain อธิบายว่า “เราศึกษาปัญหาโดยใช้ฝุ่นละอองธรรมดาๆ ที่ไม่กดดันเพราะว่านี่เป็นประเภทที่ง่ายที่สุด การเคลื่อนที่ของอนุภาคอธิบายได้ด้วยสมการที่จัดการได้ซึ่งสามารถแก้ไขได้ด้วยแล็ปท็อป” Husain อธิบาย “สมการนี้เป็นเวอร์ชันดัดแปลงของสมการไอน์สไตน์คลาสสิก ซึ่งรวมเอาความไม่ต่อเนื่องพื้นฐานของพื้นที่ในระดับจุลภาค”

วิธีการเชิงตัวเลขที่นักวิจัยใช้ในการศึกษาของพวกเขาได้รับการพัฒนาโดย Sergei K. Godunov นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียที่มีชื่อเสียงซึ่งกำลังทำการวิจัยเชิงทฤษฎีโดยเน้นที่ปัญหาการไหลของของไหล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีนี้สามารถจัดการกับการก่อตัวของคลื่นกระแทก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเหนือเสียงและดันอากาศโดยรอบ (เช่น เมื่อเครื่องบินเจ็ตทะลุผ่านกำแพงเสียง)

Husain, Kelly, Santacruz และ Wilson-Ewing กล่าวว่า “เราติดตามวิวัฒนาการของเมฆฝุ่นที่ยุบตัวจนกลายเป็นหลุมดำ “วิธีการเชิงตัวเลขช่วยให้เราสามารถติดตามวิวัฒนาการของสสารได้แม้ภายในบริเวณหลุมดำไปจนถึงจุดที่ภาวะเอกฐานจะอยู่ในโซลูชันแบบคลาสสิก”

สมการแก้ไขแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่ Husain และเพื่อนร่วมงานของเขานำเสนอนั้นช่วยแก้ปัญหาภาวะเอกฐานได้แบบไดนามิกมากกว่าแบบจำลองคลาสสิก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันแสดงให้เห็นว่าสสารตกสู่ใจกลางของหลุมดำ มีความหนาแน่นขนาดใหญ่แต่จำกัด แล้วกระเด้งกลับ ก่อตัวเป็นคลื่นกระแทก

นักวิจัยกล่าวว่า “ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงควอนตัมมีความสำคัญต่อคลื่นกระแทกและปล่อยให้มันเคลื่อนออกไปด้านนอกภายในหลุมดำ ซึ่งเป็นไปไม่ได้เมื่อใช้สมการแบบคลาสสิก” “ในขณะเดียวกัน ความโค้งของกาลอวกาศก็ใหญ่ขึ้น แต่ไม่เคยเบี่ยงเบน (เหมือนในทฤษฎีคลาสสิก)”

การใช้เครื่องมือตัวเลขที่ Godunov นำเสนอ นักวิจัยยังสามารถคำนวณอายุขัยของหลุมดำ ตั้งแต่การก่อตัวจนถึงการหายตัวไปของหลุมดำ เมื่อคลื่นกระแทกโผล่ออกมาจากขอบฟ้าและขอบฟ้าเริ่มหายไป ที่น่าสนใจคือ อายุการใช้งานของหลุมดำที่พวกเขาคำนวณนั้นสั้นกว่าเวลาที่ฮอว์คิงคาดการณ์ไว้มาก นี่แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองของพวกเขาสามารถช่วยแก้ไขปัญหาการสูญหายของข้อมูลได้ แต่จะต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อยืนยันสิ่งนี้

นอกจากนี้ สมการที่ Husain และเพื่อนร่วมงานสรุปไว้ยังได้แนะนำการผลิตคลื่นกระแทกในการพัฒนาหลุมดำ ในอนาคต นักดาราศาสตร์จึงสามารถประเมินความเป็นไปได้ในการตรวจจับคลื่นกระแทกที่เกิดจากหลุมดำได้

“หากเป็นไปได้ ผลลัพธ์ของเราอาจให้คำอธิบายพร้อม แต่สิ่งนี้ก็ต้องการการสำรวจอย่างระมัดระวังเพิ่มเติมเช่นกัน” นักวิจัยกล่าวเสริม “ในการศึกษาครั้งต่อไปของเรา เราอยากจะพยายามพิสูจน์ว่าปัญหาการสูญหายของข้อมูลได้รับการแก้ไขแล้วจริงๆ หรือไม่ เพื่อศึกษาสสารประเภทอื่นๆ ที่ออกแรงกดดัน และก้อนเมฆของสสารประเภทอื่นๆ เพื่อดูว่าผลของคลื่นกระแทกของเรายังคงคุณภาพไม่เปลี่ยนแปลงหรือไม่ หากเป็นกรณีนี้ คลื่นกระแทกอาจเป็นสัญญาณสากลที่บ่งบอกถึงการตายของหลุมดำ”


นักวิทยาศาสตร์อาจไขข้อขัดแย้งของหลุมดำของ Stephen Hawking ได้แล้ว


ข้อมูลมากกว่านี้:
Viqar Husain et al, แรงโน้มถ่วงควอนตัมของการยุบตัวของฝุ่น: คลื่นกระแทกจากหลุมดำ, จดหมายทบทวนทางกายภาพ (2022). ดอย: 10.1103/PhysRevLett.128.121301

© 2022 Science X Network

การอ้างอิง: แบบจำลองเชิงทฤษฎีนำเสนอมุมมองใหม่เกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของหลุมดำ (2022, 22 เมษายน) สืบค้นเมื่อ 22 เมษายน 2565 จาก https://phys.org/news/2022-04-theoretical-perspective-black-hole-formation.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*