الفلك

متى حدثت ، وما سبب أول ثقب أسود في الكون؟

متى حدثت ، وما سبب أول ثقب أسود في الكون؟

متى حدثت ، وما سبب أول ثقب خلفي في الكون؟ هل يسبق هذا الوقت انهيار النجوم نتيجة الشيخوخة؟


لا نعرف على وجه اليقين.

من الممكن أن تكون التقلبات العشوائية في كثافة المادة في بدايات الكون قد خلقت ثقوبًا سوداء يمكن أن تكون أصغر بكثير من الثقوب السوداء العادية التي تكونت عن طريق الانهيار النجمي. كانت ستتشكل في اللحظات التالية للانفجار العظيم.

وبخلاف ذلك ، تكونت النجوم الأولى بعد حوالي 400 مليون سنة من الانفجار العظيم ، ويمكن أن يشكل بعضها ثقوبًا سوداء بعد حياتها (القصيرة). النجوم التي تزيد كتلتها عن 250 كتلة شمسية (والتي يمكن أن تتشكل في بدايات الكون) ستنتج ثقوبًا سوداء كبيرة عندما تنهار.


أول ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق كان أضخم مما كنا نظن

انطباع فنان عن نظام Cygnus X-1. ثقب أسود ذو كتلة نجمية يدور حول نجم مصاحب يقع على بعد 7200 سنة ضوئية من الأرض. الائتمان: المركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي.

دفعت الملاحظات الجديدة لأول ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق علماء الفلك إلى التساؤل عما يعرفونه عن أكثر الأشياء غموضًا في الكون.

نشرت اليوم في المجلة علميظهر البحث أن النظام المعروف باسم Cygnus X-1 يحتوي على أكبر ثقب أسود ذو كتلة نجمية تم اكتشافه على الإطلاق دون استخدام موجات الجاذبية.

Cygnus X-1 هو أحد أقرب الثقوب السوداء إلى الأرض. تم اكتشافه في عام 1964 عندما تم حمل زوج من عدادات جيجر على متن صاروخ شبه مداري تم إطلاقه من نيو مكسيكو.

كان الهدف هو محور رهان علمي شهير بين الفيزيائيين ستيفن هوكينغ وكيب ثورن ، حيث راهن هوكينغ في عام 1974 على أنه ليس ثقبًا أسود. تنازل هوكينج عن الرهان في عام 1990.

في هذا العمل الأخير ، استخدم فريق دولي من علماء الفلك مصفوفة خط الأساس الطويل جدًا - وهو تلسكوب لاسلكي بحجم القارة يتكون من 10 أطباق منتشرة في جميع أنحاء الولايات المتحدة - جنبًا إلى جنب مع تقنية ذكية لقياس المسافات في الفضاء.

قال الباحث الرئيسي ، البروفيسور جيمس ميلر جونز من جامعة كيرتن ومنظمة إنترناشيونال مركز أبحاث الفلك الراديوي (ICRAR).

رسم متحرك يظهر نظام Cygnus X-1 المكون من ثقب أسود في مدار به نجم عملاق. وجدت الملاحظات الأخيرة التي أجرتها التلسكوبات الراديوية أن النظام أبعد بنسبة 20 في المائة عما كان يُعتقد سابقًا ، مما يشير إلى أن الثقب الأسود أكبر بمقدار 21 مرة من كتلة الشمس ، مما يجعله أكبر ثقب أسود كتلة نجمي تم اكتشافه على الإطلاق دون استخدام موجات الجاذبية. . الائتمان: المركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي.

"إذا رفعت إصبعك أمام عينيك ونظرته بعين واحدة في كل مرة ، فستلاحظ أن إصبعك يبدو وكأنه يقفز من مكان إلى آخر. إنه نفس المبدأ تمامًا."

قال البروفيسور ميلر جونز: "على مدار ستة أيام ، لاحظنا مدارًا كاملاً للثقب الأسود واستخدمنا الملاحظات المأخوذة من نفس النظام بنفس مجموعة التلسكوب في عام 2011" "تُظهر هذه الطريقة وقياساتنا الجديدة أن النظام أبعد مما كان يُعتقد سابقًا ، مع وجود ثقب أسود أكبر بكثير."

قال المؤلف المشارك البروفيسور إيليا ماندل من جامعة موناش ومركز ARC للتميز في اكتشاف الموجات الثقالية (OzGrav) إن الثقب الأسود ضخم جدًا لدرجة أنه يمثل تحديًا في الواقع كيف اعتقد علماء الفلك أنهم تشكلوا.

وقال: "تفقد النجوم كتلتها في البيئة المحيطة بها من خلال الرياح النجمية التي تهب بعيدًا عن سطحها. ولكن لصنع ثقب أسود بهذا الثقل ، نحتاج إلى تقليل كمية الكتلة التي تفقدها النجوم الساطعة خلال حياتها".

وقال إن "الثقب الأسود في نظام Cygnus X-1 بدأ حياته كنجم تناهز كتلته 60 مرة كتلة الشمس وانهار منذ عشرات الآلاف من السنين". "بشكل لا يصدق ، إنه يدور حول نجمه المرافق - عملاق خارق - كل خمسة أيام ونصف على مسافة خمس المسافة بين الأرض والشمس.

"تخبرنا هذه الملاحظات الجديدة أن الثقب الأسود أكبر بعشرين مرة من كتلة شمسنا - بزيادة قدرها 50 بالمائة عن التقديرات السابقة".

لاحظ علماء الفلك نظام Cygnus X-1 من زوايا مختلفة باستخدام مدار الأرض حول الشمس لقياس الحركة المدركة للنظام مقابل النجوم الخلفية. سمح لهم ذلك بتحسين المسافة إلى النظام وبالتالي كتلة الثقب الأسود. الائتمان: المركز الدولي لأبحاث علم الفلك الراديوي.

Xueshan Zhao هو مؤلف مشارك في الورقة ودكتوراه. مرشح يدرس في المراصد الفلكية الوطنية - جزء من الأكاديمية الصينية للعلوم (NAOC) في بكين.

"باستخدام القياسات المحدثة لكتلة الثقب الأسود والمسافة التي تفصله عن الأرض ، تمكنت من التأكد من أن Cygnus X-1 يدور بسرعة مذهلة - قريبة جدًا من سرعة الضوء وأسرع من أي ثقب أسود آخر تم العثور عليه حتى الآن ، قالت.

"أنا في بداية مسيرتي البحثية ، لذا فإن كوني جزءًا من فريق دولي والمساعدة في تحسين خصائص أول ثقب أسود تم اكتشافه على الإطلاق كان فرصة عظيمة."

في العام المقبل ، سيبدأ بناء أكبر تلسكوب لاسلكي في العالم - مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA) - في أستراليا وجنوب إفريقيا.

قال البروفيسور ميلر جونز: "إن دراسة الثقوب السوداء مثل تسليط الضوء على أفضل سر محتفظ به في الكون - إنها منطقة بحث مليئة بالتحديات ولكنها مثيرة".

"مع دخول الجيل التالي من التلسكوبات عبر الإنترنت ، تكشف حساسيتها المحسّنة الكون بمزيد من التفاصيل بشكل متزايد ، مستفيدةً من عقود من الجهد الذي استثمره العلماء وفرق البحث حول العالم لفهم الكون والأشياء الغريبة والمتطرفة الموجودة بشكل أفضل.

"إنه وقت رائع أن تكون عالم فلك."

"Reestimating the Spin Parameter of the Black Hole in Cygnus X-1،" المنشور في The مجلة الفيزياء الفلكية في 18 فبراير 2021.

"معدلات فقدان كتلة الرياح للنجوم المجردة من Cygnus X-1" المنشورة في The مجلة الفيزياء الفلكية في 18 فبراير 2021.


هل ولد الكون في ثقب أسود؟

ربما يكون الكون قد نشأ عن انفجار داخل ثقب أسود ، وفقًا لنظرية جديدة من قبل عالمين رياضيين نُشر مؤخرًا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية.

قال بليك تمبل ، أستاذ الرياضيات في جامعة كاليفورنيا في ديفيس والمؤلف المشارك للورقة مع جويل سمولير ، أستاذ الرياضيات في جامعة ميشيغان: "إنه نموذج معقول رياضيًا يعمل على تحسين النموذج القياسي للانفجار العظيم".

في النموذج القياسي لعلم الكونيات ، ظهر الكون مع الانفجار العظيم منذ حوالي 13 مليار سنة. منذ ذلك الحين ، كان الكون ، الذي يحتوي على كمية لا حصر لها من المادة ولانهائي في المدى ، يتمدد في جميع الاتجاهات.

في النموذج الجديد ، يعتبر الانفجار العظيم انفجارًا فعليًا داخل ثقب أسود في مساحة موجودة. تتوسع موجة الصدمة الناتجة عن الانفجار إلى مساحة لا نهائية ، تاركة وراءها كمية محدودة من المادة. الكون يخرج من ثقب أبيض. على عكس الثقب الأسود ، يقوم الثقب الأبيض برمي المادة للخارج بدلاً من امتصاصها.

تكمن الموجة الصدمية والكون وراء الثقب الأسود في مستقبلنا. في النهاية ، سيخرج الكون من الثقب الأسود كشيء يشبه المستعر الأعظم ، لكن على نطاق واسع للغاية ، كما قال تمبل.

كتب ألبرت أينشتاين المعادلات التي تصف الثقب الأسود كجزء من النظرية العامة للنسبية. تعمل معادلات أينشتاين بشكل جيد إذا كان الوقت يمر للأمام أو للخلف. لكن موجات الصدمة المتفجرة ، التي تتضمن زيادة في الإنتروبيا ، لا رجوع فيها عن الزمن. تُرضي النظرية الجديدة معادلات أينشتاين بينما تسمح للكون بالتوسع.

قال تمبل إن ما إذا كانت المادة الخارجة من الثقب الأبيض قد أتت من مادة سقطت سابقًا في ثقب أسود آخر ، فهذا سؤال مفتوح.

كتب سمولر وتمبل: "من الطبيعي أن نتساءل عما إذا كانت هناك علاقة بين الكتلة التي تختفي في تفردات الثقب الأسود والكتلة التي تنبثق من تفردات الثقب الأبيض".

مصدر القصة:

المواد المقدمة من جامعة كاليفورنيا - ديفيس. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.


ظهر القمر الصناعي الياباني ذو الثقب الأسود المفقود من جديد ولا أحد يعرف ما حدث له

في وقت سابق من هذا الأسبوع ، حدث شيء ما جعل قمرًا صناعيًا جديدًا للثقب الأسود في اليابان فجأة ، يفقد الاتصال بالأرض بشكل غامض. الآن ، لدينا فيديو له يدور بعنف في الفضاء - وقد تلقت JAXA أيضًا بعض الرسائل الغريبة والجديدة.

لا أحد يعرف ما حدث لليابان وخسرت قمرًا صناعيًا بقيمة 273 مليون دولار

أطلقت اليابان الشهر الماضي قمرًا صناعيًا وصفته بأنه "ضروري" لحل ألغاز ...

بعد صمت طويل ومتوتر ، أرسلت هيتومي رسالتين مقتضبتين للغاية ردًا على محاولات JAXA المستمرة للاتصال بها. لكن هذا لا يعني أن أي شيء مثل الاتصالات الكاملة - ناهيك عن التحكم - تمت إعادة إنشائها. كانت الرسائل قصيرة جدًا لدرجة أن JAXA ليس لديها معلومات جديدة حول حالة القمر الصناعي ، أو ما حدث لإيقافه في المقام الأول.

قد يكون هناك بعض القرائن في هذا الفيديو لهيتومي الذي صوره عالم الفلك بول مالي في أريزونا.

يمكنك أن ترى بوضوح هيتومي في السقوط الحر. رأى مالي لأول مرة القمر الصناعي يدور مثل القمة في 28 مارس. أكد لـ Gizmodo أنه كان لا يزال يرى أنها تتعثر بنفس المعدل الثابت - دوران كامل واحد كل 23.5 ثانية - حتى وقت متأخر من الليلة الماضية.

قد تكون حركات الدوران هذه هي السبب الأساسي الذي يجعلنا نواجه صعوبة كبيرة في إجراء محادثة أطول مع Hitomi. "عادةً ما يكون الهوائي موجهًا تقريبًا إلى الأرض ويمكنه سماع ما تحاول JAXA إخبارها به. قال جوناثان ماكدويل من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية لـ Gizmodo ، إنه مع السقوط يكون الأمر أكثر صعوبة.

ومع ذلك ، فإن حقيقة أنه تلقى بعض الرسائل الجديدة على الإطلاق هي مدعاة للأمل في إمكانية استعادة القمر الصناعي. قد يعطينا أيضًا دليلًا على ما حدث لإخراج مسار القمر الصناعي في المقام الأول.

قال مركز العمليات الفضائية المشتركة التابع لوزارة الدفاع ، والذي رصد في الأصل حطام القمر الصناعي ، إنهم لم يروا دليلاً على أن الاصطدام كان على خطأ. يشير ذلك إلى أن كل ما حدث ربما حدث على القمر الصناعي نفسه. يمكن أن يدعم دورانها السريع ذلك أكثر. قال ماكدويل:

"لجعل القمر الصناعي يدور بسرعة كبيرة ، أعتقد أنه لا بد أنه كان يطلق غازًا من نوع ما - إما أن أحد محركات الدفع الصاروخية الفعلية قد علقت ، أو ربما غليان الهيليوم السائل شديد البرودة وتصرف كما لو كان صاروخ القاذف. كان نظام التبريد يعمل بشكل جيد لبضعة أسابيع (ويبدو أن بعض البيانات التي تم إرجاعها مثيرة من الناحية العلمية) لذلك ربما يكون الدافع المتوقف هو التخمين الأكثر ترجيحًا. لكن هذا مجرد تخمين ".

تمكنت Hitomi من جمع القليل من البيانات قبل أن تفقد الاتصال بجاكسا. قال كريس رينولدز ، أستاذ علم الفلك بجامعة ماريلاند ، "إنها بيانات رائعة ، إنها بيانات تحويلية" ، مشيرًا إلى أنه من المحتمل أن تكون موضوع بحث قادم. "لهذا السبب هناك صدمة واسعة النطاق بشأن ما يحدث. ندرك جميعًا مقدار العلم الرائع الذي يمكن أن يأتي من [هيتومي] ".

قبل الإطلاق ، وصفت اليابان القمر الصناعي بأنه "ضروري" لحل الألغاز الرئيسية للكون ، مثل طبيعة الثقوب السوداء وتطور المجرات. وذلك لأن مهمة هيتومي تمثل قفزة كبيرة إلى الأمام فيما يتعلق بالتحليل الطيفي للأشعة السينية - وهي إحدى التقنيات العديدة التي يستخدمها علماء الفلك لدراسة مصادر الأشعة السينية الكونية. قال رينولدز:

"إنك تتعلم الكثير عن الكون من خلال أخذ الأطياف ، وهذه هي الطريقة التي نتعلم بها مما تتكون النجوم ، وهكذا نتعلم ما هو التحول في المجرات. إنها الطريقة التي نتعرف بها على كيفية حدوث تكوينات النجوم على مدار تاريخ الكون. في كل نطاق موجي تقريبًا على طول الطريق من الراديو وحتى الأشعة السينية ، هناك الكثير من المعلومات التي يمكنك تعلمها من الكون في [التحليل الطيفي للأشعة السينية] "

بطبيعة الحال ، فإن اكتساب نظرة ثاقبة لتلك الألغاز الكونية يتوقف الآن على سؤال واحد: هل ستتمكن جاكسا من استعادة هيتومي بنجاح؟ الجواب لا يزال غير واضح. قال رينولدز: "لا يزال لدينا أمل". "لسنا مستعدين لإعلان خسارته بعد."


تلسكوب هابل يكتشف الثقب الأسود الغامض "سرب"

وجد تلسكوب هابل الفضائي حفنة من الثقوب السوداء في مجموعة بعيدة من النجوم.

ناسا ، ووكالة الفضاء الأوروبية ، وت. براون ، وس. كاسيرتانو ، وجيه أندرسون (STScI)

ذهب أحد أشهر التلسكوبات في العالم للبحث عن ثقب أسود واحد ، ووجد بدلاً من ذلك مجموعة من الثقوب السوداء الأصغر بشكل غير متوقع.

ينتج الاكتشاف الغريب "لعبة الكرة والدبابيس الثقالية" داخل مجموعة من النجوم تعرف باسم NGC 6397 ، على بعد حوالي 8000 سنة ضوئية من الأرض. وما نراه الآن مع تلسكوب هابل الفضائي ليس دائمًا ، حيث يتوقع العلماء أن الثقوب السوداء في المركز ستتصادم في النهاية وتجمع وترسل موجات الجاذبية عبر الفضاء.

هذا الاكتشاف هو مثال آخر على مدى تعقيد الفضاء ، ومقدار ما لا يزال يتعين علينا تعلمه عن تطور الثقوب السوداء والنجوم والكون ككل.

لاحظ موقع هابل التابع لناسا في بيان أن مسارات النجوم في هذا العنقود تتحرك بشكل عشوائي تقريبًا بسبب توزيع العديد من الثقوب السوداء في المركز. إذن كيف وصلت تلك الثقوب السوداء إلى هناك في المقام الأول؟ إنها قصة تحتوي على بعض التحولات في الحبكة التي قد تتغير مع تتبعنا للمزيد من تفاعلات الجاذبية الغريبة التي تحدث في مجموعات من النجوم المكدسة بإحكام ، ولكن هذا ما توصل إليه الباحثون حتى الآن.

كان الهدف من البحث في البداية هو البحث عن ثقب أسود متوسط ​​الحجم ، وهو نوع غير مؤكد ومنظور من الثقوب السوداء يقع في مكان ما بين ثقب أسود بحجم النجم (ينتج عندما ينفجر نجم عملاق) وثقب مجري- ثقب أسود فائق الكتلة يشكل جزءًا مهمًا من معظم تواريخ المجرات - بما في ذلك مجرتنا درب التبانة.

الثقوب السوداء ، كما يوحي الاسم ، لا يمكن رؤيتها. لكن يمكننا تعقبهم من خلال الإشعاع الذي يصدرونه وحركات الأجسام القريبة. ومع ذلك ، كانت حركات النجوم في NGC 6397 منتشرة وأظهرت تأثرها بالعديد من الثقوب السوداء المتجمعة في مركز العنقود. (دعم الباحثون الملاحظات باستخدام هابل باستخدام مهمة جايا الأوروبية ، التي تتعقب حركات النجوم عبر الفضاء).


يحدق في الهاوية يلتقط علماء الفلك الصورة الأولى للثقب الأسود

دبليو القبعة ذات الثقوب السوداء القيام بالأشياء من حولهم يصعب تفويتها. المادة التي تتدفق إليها بسرعة الضوء تقترب من كل أنواع الإشعاع ، وأحيانًا الكثير منه بحيث يمكن رؤيته على بعد نصف كون. ومع ذلك ، فإن الثقوب السوداء نفسها هي مسألة أخرى. إنها ، وفقًا للمعايير الكونية ، صغيرة جدًا. ويتم تعريفها من خلال امتلاك حقول جاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب منها. هذا هو السبب في أنه من اللافت للنظر أن فريقًا دوليًا مكونًا من أكثر من 200 عالم فلك راديوي ، خلال سنوات من العمل المضني ، ابتكر في الواقع لمحة عن واحدة.

لا يدعم متصفحك عنصر & ltaudio & gt.

استمتع بمزيد من الصوت والبودكاست على iOS أو Android.

يقع الثقب الأسود المعني (في الصورة أدناه) في مركز مجرة ​​تبعد 55 مترًا ضوئيًا عن الأرض تسمى Messier 87 ، وهي واحدة من أكبر المجرات وأكثرها إضاءة في الكون القريب. اشتبه علماء الفلك لبعض الوقت في أنها تحتوي على ثقب أسود هائل بشكل هائل - أكبر بمقدار 6.5 مليار مرة من كتلة الشمس ، وأكثر من ألف مرة من الثقب الأسود في مركز مجرة ​​درب التبانة حيث الأرض و الجلوس الشمس.

لكن الضخامة لا تعني كبيرة. تسمى حافة الثقب الأسود أفق الحدث ، لأنه لا يمكن رؤية أي شيء يحدث بعده تحت أي ظرف من الظروف. يحتوي الثقب الأسود في Messier 87 على حدث يبلغ عرضه حوالي نصف يوم ضوئي (حوالي حجم جزء النظام الشمسي الذي يحتوي على كواكب). هذا يعني أنه ، من الأرض ، لا يبدو أكبر من عملة معدنية على سطح القمر.

كلما ظهر الشيء الذي تراقبه أصغر في السماء ، زادت فتحة التلسكوب التي تحتاج إلى البحث عنها. تلسكوب أفق الحدث (EHT) قام الفريق بتجميع واحدة مع فتحة بحجم الأرض من خلال تجميع البيانات من التلسكوبات الراديوية في جميع أنحاء العالم. سمح لهم جمع الإشارات التي تتلقاها هذه التلسكوبات المختلفة بتوليف صورة جيدة مثل تلك التي كانوا سيحصلون عليها من تلسكوبات واحدة كبيرة مثل المسافة بين أي طبقين ، على الرغم من أنها باهتة إلى حد كبير. تم استخدام هذا النوع من "قياس التداخل الأساسي الطويل للغاية" لعقود - ولكن لم يسبق له مثيل مع هذا القدر من البيانات.

في المجموع ، تم استخدام ثمانية مراصد في أربع قارات للبحث عن الثقب الأسود في ميسييه 87 ، بما في ذلك اثنان ، في أنتاركتيكا وتشيلي ، التي تتمتع بسماء جافة بشكل خاص. نظرًا لأن الملاحظات كانت بحاجة إلى أن تكون متزامنة بدقة ، فقد تم ربط كل أداة بساعتها الذرية الخاصة بها.

بمجرد تكوين جميع الأطباق بشكل صحيح ، حسب علماء الفلك أنها تتطلب عشرة أيام من الطقس الصافي في جميع المواقع لجمع البيانات المطلوبة. عندما بدأوا البحث في أبريل 2017 ، تصرف الطقس ، وحصلوا على خمسة بيتابايت من البيانات في سبعة أيام. تم نقل هذه البيانات إلى مرصد Haystack في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في أمريكا ومعهد ماكس بلانك لعلم الفلك الراديوي في بون ، ألمانيا ، على نصف طن من الأقراص الصلبة.

خضعت هذه الأعداد العديدة للطحن. في 10 أبريل تم الكشف عن النتيجة. تتكون الصورة الحقيقية الأولى للثقب الأسود ، والتي تبدو سوداء ومبهمة بشكل مرضٍ ، من الإشعاع المنبعث من الغازات الساخنة على الجانب البعيد من الثقب الأسود ثم ينحني بفعل جاذبيته في أنبوب من الضوء مع الظلام في تجويفه المركزي. يشير اللون الأصفر الأكثر إشراقًا في قاعدة الدائرة إلى أن الغازات تتحرك بسرعة خاصة ، مما يشير إلى شيء من تأثير مقلاع يحدث أثناء انتقال دوامة الغازات في اتجاه عقارب الساعة ، تمامًا مثل تدفق الماء في فتحة سدادة.

بمرور الوقت ، يجب أن يكون النهج نفسه قادرًا على تتبع التغييرات في البيئة المحيطة بهذا الثقب الأسود وغيره ، مما يساعد على إظهار ، من بين أشياء أخرى ، كيف تحصل النفاثات الهائلة من الطاقة التي ينبعث منها على جاذبيتها وبنيتها. في غضون ذلك ، هناك رسالتان مهمتان. أحدهما أن الثقوب السوداء مستديرة ، كما تنبأت نظرية النسبية لأينشتاين أنها ستكون كذلك. اعتاد العالم على إثبات أن أينشتاين على حق ، لكن كل اختبار قد يتعارض معه ولا يعد حدثًا.

والآخر هو أنهم إذا رأوا إمكانية رائعة ومذهلة بدرجة كافية ، فسيكون علماء الفلك ملتزمين بشكل ملحوظ في سعيهم ، حتى باستخدام الأرض المتحركة بأكملها لسد السماء.

ظهر هذا المقال في قسم العلوم والتكنولوجيا من الطبعة المطبوعة تحت العنوان & quot التحديق في الهاوية & quot


صورة الثقب الأسود تصنع التاريخ

تم الكشف عن أول صورة على الإطلاق لظل الثقب الأسود. ساعدت تلسكوبات ناسا في تمييز بيئة الثقب الأسود.

تم التقاط صورة لثقب أسود وظله في صورة لأول مرة ، وهو إنجاز تاريخي بواسطة شبكة دولية من التلسكوبات الراديوية تسمى Event Horizon Telescope (EHT). EHT هو تعاون دولي يشمل دعمه في الولايات المتحدة المؤسسة الوطنية للعلوم.

الثقب الأسود هو جسم كثيف للغاية ولا يمكن للضوء الهروب منه. أي شيء يأتي داخل الثقب الأسود & # x27s & quot ؛ أفق الحدث ، & quot ؛ نقطة اللاعودة ، سيتم استهلاكه ، ولن يظهر مرة أخرى أبدًا ، بسبب الثقب الأسود & # x27s الجاذبية القوية التي لا يمكن تصورها. بحكم طبيعته ، لا يمكن رؤية الثقب الأسود ، لكن قرص المادة الساخن الذي يحيط به يلمع. على خلفية ساطعة ، مثل هذا القرص ، يبدو أن ثقبًا أسود يلقي بظلاله.

تُظهر الصورة الجديدة المذهلة ظل الثقب الأسود الهائل في مركز Messier 87 (M87) ، وهي مجرة ​​إهليلجية على بعد حوالي 55 مليون سنة ضوئية من الأرض. تبلغ كتلة هذا الثقب الأسود 6.5 مليار ضعف كتلة الشمس. اشتمل اصطياد ظلها على ثمانية تلسكوبات راديوية أرضية حول العالم ، تعمل معًا كما لو كانت تلسكوبًا واحدًا بحجم كوكبنا بأكمله.

وقال بول هيرتز ، مدير قسم الفيزياء الفلكية في مقر ناسا في واشنطن ، إنه إنجاز مذهل لفريق EHT. & quot؛ منذ سنوات ، كنا نظن أنه سيتعين علينا بناء تلسكوب فضائي كبير جدًا لتصوير ثقب أسود. من خلال جعل التلسكوبات الراديوية في جميع أنحاء العالم تعمل في حفلة موسيقية مثل أداة واحدة ، حقق فريق EHT هذا ، قبل عقود من الزمن. & quot

لاستكمال نتائج EHT ، كانت العديد من المركبات الفضائية التابعة لناسا جزءًا من جهد كبير ، تم تنسيقه بواسطة مجموعة العمل متعددة الأطوال الموجية EHT & # x27s ، لمراقبة الثقب الأسود باستخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء. كجزء من هذا الجهد ، ناسا و # x27s مرصد شاندرا للأشعة السينية ، مصفوفة التلسكوب الطيفي النووي (نوستار) و نيل جيريلز سويفت تلسكوب الفضاء ، وكلها منسجمة مع أنواع مختلفة من ضوء الأشعة السينية ، وجهت نظرهم إلى الثقب الأسود M87 في نفس الوقت تقريبًا مثل EHT في أبريل 2017. ناسا و # x27s تلسكوب Fermi لأشعة جاما الفضائي كان يراقب أيضًا التغييرات في ضوء أشعة جاما من M87 أثناء ملاحظات EHT. إذا لاحظت EHT تغييرات في بنية بيئة الثقب الأسود ، فيمكن استخدام البيانات من هذه المهمات والتلسكوبات الأخرى للمساعدة في معرفة ما كان يجري.

في حين أن ملاحظات ناسا لم تتتبع الصورة التاريخية بشكل مباشر ، استخدم علماء الفلك بيانات من أقمار NASA & # x27s Chandra و NuSTAR لقياس سطوع الأشعة السينية لطائرة M87 & # x27s. استخدم العلماء هذه المعلومات لمقارنة نماذجهم للطائرة والقرص حول الثقب الأسود مع ملاحظات EHT. قد تأتي رؤى أخرى مع استمرار الباحثين في البحث عن هذه البيانات.

هناك العديد من الأسئلة المتبقية حول الثقوب السوداء التي قد تساعد ملاحظات ناسا المنسقة في الإجابة عليها. لا تزال الألغاز قائمة حول سبب حصول الجسيمات على مثل هذه الطاقة الهائلة حول الثقوب السوداء ، وتشكيل نفاثات مثيرة تنطلق بعيدًا عن أقطاب الثقوب السوداء بسرعة الضوء تقريبًا. عندما تسقط المادة في الثقب الأسود ، أين تذهب الطاقة؟

& quot ؛ تساعدنا الأشعة السينية على ربط ما يحدث للجسيمات القريبة من أفق الحدث بما يمكننا قياسه باستخدام التلسكوبات لدينا ، كما قال جوي نيلسن ، عالم الفلك في جامعة فيلانوفا في بنسلفانيا ، الذي قاد تحليل Chandra و NuSTAR نيابة عن مجموعة العمل متعددة الأطوال الموجية EHT & # x27s.

سبق أن درست تلسكوبات ناسا الفضائية طائرة نفاثة تمتد لأكثر من 1000 سنة ضوئية من مركز M87. تتكون الطائرة النفاثة من جزيئات تسافر بالقرب من سرعة الضوء ، وتطلق طاقات عالية بالقرب من أفق الحدث. تم تصميم EHT جزئيًا لدراسة أصل هذه الطائرة وما شابهها. تعرضت كتلة من المادة في الطائرة تسمى HST-1 ، اكتشفها علماء فلك هابل في عام 1999 ، لدورة غامضة من السطوع والتعتيم.

قام كل من Chandra و NuSTAR و Swift و Fermi ، بالإضافة إلى تجربة مستكشف التكوين الداخلي للنجم النيوتروني (NICER) التابع لناسا و # x27s في محطة الفضاء الدولية ، أيضًا بالبحث في الثقب الأسود في مركز مجرتنا درب التبانة ، المسمى Sagittarius A * ، بالتنسيق مع EHT.

يؤكد العلماء أن الحصول على العديد من التلسكوبات المختلفة على الأرض وفي الفضاء لكي ينظر الجميع نحو نفس الجسم السماوي هو مهمة ضخمة في حد ذاته.

وقال نيلسن إن جدولة كل هذه الملاحظات المنسقة كانت مشكلة صعبة حقًا لكل من مخططي مهمة EHT و Chandra و NuSTAR. & quot لقد قاموا بعمل رائع حقًا لتزويدنا بالبيانات التي لدينا ، ونحن & # x27 نشعر بالامتنان للغاية. & quot

سيعمل نيلسن وزملاؤه الذين كانوا جزءًا من الملاحظات المنسقة على تشريح كامل طيف الضوء القادم من الثقب الأسود M87 ، بدءًا من موجات الراديو منخفضة الطاقة إلى أشعة جاما عالية الطاقة. مع وجود الكثير من البيانات من EHT والتلسكوبات الأخرى ، قد يكون لدى العلماء سنوات من الاكتشافات في المستقبل.


اسأل إيثان: متى حصل الكون على حقوله الكمية الأولى؟

تحاول الجاذبية الكمية الجمع بين نظرية النسبية العامة لأينشتاين وميكانيكا الكم. . [+] التصحيحات الكمية للجاذبية الكلاسيكية يتم تصورها على شكل مخططات حلقية ، كما هو موضح هنا باللون الأبيض.

مختبر المسرع الوطني SLAC

بغض النظر عن الكيفية التي ننظر بها إلى الكون - في درجات حرارة منخفضة أو طاقات عالية جدًا ، من فناءنا الخلفي إلى أبعد فترات الاستراحة في الكون الذي يمكن ملاحظته - نجد أن نفس قوانين الفيزياء تنطبق. تظل الثوابت الأساسية على نفس الجاذبية ويبدو أنها تتصرف بنفس الطريقة التي تتصرف بها انتقالات الكم وتأثيرات النسبية متطابقة. في جميع النقاط الزمنية ، على الأقل بالنسبة لأجزاء الكون التي يمكننا ملاحظتها ، يبدو أن النسبية العامة (التي تحكم الجاذبية) ونظرية المجال الكمومي (التي تحكم القوى الأخرى المعروفة) تنطبقان بالشكل نفسه الذي نجدهما يظهران هنا على الأرض . لكن هل كان الأمر دائمًا على هذا النحو؟ هل هناك وقت لم يكن فيه الكون يحتوي على نفس الحقول الكمومية فيه ، أو ربما لم يكن هناك حقول كمومية على الإطلاق؟ هذا ما يريد كريس شو ، مؤيد باتريون ، معرفته ، متسائلاً:

"متى تشكلت الحقول الكمومية الأولى في الكون؟ هل كانوا هناك منذ الانفجار العظيم أو حتى من فترة التضخم السابقة؟ "

ربما من المدهش أن الحقول الكمومية موجودة حتى في ظل ظروف قد لا تتوقعها فيها. إليكم ما نعرفه حتى الآن.

خطوط المجال المغناطيسي ، كما هو موضح بواسطة قضيب مغناطيسي: ثنائي القطب مغناطيسي ، بقطب شمالي وجنوبي. [+] مرتبطة ببعضها البعض. تظل هذه المغناطيسات الدائمة ممغنطة حتى بعد إزالة أي مجالات مغناطيسية خارجية. إذا التقطت قضيبًا مغناطيسيًا إلى قسمين ، فلن يخلق قطبًا شماليًا وجنوبيًا معزولًا ، بل مغناطيسين جديدين ، لكل منهما قطبيهما الشمالي والجنوبي. الميزون "المفاجئة" بطريقة مماثلة.

نيوتن هنري بلاك ، هارفي إن ديفيس (1913) فيزياء عملية

عندما نفكر في الحقول ، فإن معظمنا يتصورها بنفس الطريقة التي فعلها العلماء في القرن التاسع عشر: عندما يكون لديك نوع من المصادر - مثل الشحنة الكهربائية أو المغناطيس الدائم - فإنها تخلق حقلاً حولها في كل نقطة في الفضاء . يوجد هذا المجال سواء كانت هناك جسيمات أخرى تتأثر به أم لا ، ولكن يمكنك اكتشاف وجود هذا المجال (بالإضافة إلى ما يؤثر وكيف) من خلال ملاحظة ما يحدث للشحنات من أنواع مختلفة التي تتفاعل مع هذا المجال .

برادة الحديد ، التي يمكن أن تصبح ممغنطة هي نفسها ، تستجيب للمجالات المغناطيسية عن طريق المحاذاة على طول اتجاه المجال. ستواجه الشحنات الكهربائية ، في وجود مجال كهربائي (أو في حالة حركة في وجود مجال مغناطيسي) ، قوة تسرعها اعتمادًا على قوة المجال.

يقول العلماء إنه لا يوجد سوى كوكب آخر في مجرتنا يمكن أن يكون شبيهًا بالأرض

يقول العلماء إن 29 من الحضارات الغريبة الذكية ربما تكون قد رصدتنا بالفعل

Super Solstice Strawberry Moon: شاهد أكبر وألمع وأفضل طلوع قمر في الصيف هذا الأسبوع

حتى الجاذبية ، سواء في تصور أينشتاين أو نيوتن ، يمكن تصورها كحقل: حيث تستجيب المادة أو الطاقة من أي شكل لتأثيرات الجاذبية التراكمية في موقعها في الفضاء ، وتحدد مسارها في المستقبل.

مجال الجاذبية ، أو تأثير الجاذبية لجميع الأجسام مجتمعة في منطقة من الفضاء. [+] في الكون ، يمكن نمذجتها في أي إطار مرجعي معين في كل من مفهوم نيوتن وأينشتاين للجاذبية. يعتبر مفهوم المجال مفيدًا للغاية ، ولكنه غير مكتمل ، في العالم الكلاسيكي وحده.

هذا التصور ، مهما كان مفيدًا وشائعًا ، لا يعمل إلا في الإعدادات غير الكمية. إنه توضيح ممتاز لكيفية عمل الحقول الكلاسيكية ، لكننا نعيش في واقع كمومي بشكل أساسي. ما نتخيله في العالم الكلاسيكي - أن الحقول سلسة ومستمرة ، وأن خصائصها يمكن أن توجد في أي مكان على طول طيف من الحد الأدنى النظري إلى الحد الأقصى النظري - لم يعد ينطبق في الكون الكمومي.

بدلاً من ذلك ، لا يكون المجال الكمومي موجودًا فقط حيث يكون لديك مصدر (مثل كتلة أو شحنة) ، ولكنه موجود في كل مكان: في كل مكان. إذا كانت لديك رسوم ، مثل:

  • الكتل (للجاذبية) ،
  • الشحنات الكهربائية (للكهرومغناطيسية) ،
  • جسيم به شحنة مفرطة ضعيفة غير صفرية (للقوة النووية الضعيفة) ،
  • أو شحنة ملونة (للقوة النووية القوية) ،

إنهم يتصرفون كحالة متحمسة للميدان ، لكن المجال موجود بغض النظر عن وجود أو عدم وجود الشحنات. والأكثر من ذلك: الحقل مُكمَّم ، ويُسمح لطاقة نقطة الصفر ، أو أدنى مستوى طاقة يمكن أن يشغله ، بقيم غير صفرية.

اليوم ، تُستخدم مخططات Feynman في حساب كل تفاعل أساسي يشمل القوي ،. [+] القوى الضعيفة والكهرومغناطيسية ، بما في ذلك في ظروف الطاقة العالية ودرجة الحرارة المنخفضة / المكثف. حتى في حالة عدم وجود جسيمات ، توجد مخططات فاينمان ، وتمثل مساهمة الفراغ للحقول الكمومية.

دي كارفالهو ، فانويلدو إس وآخرون. نوكل فيز. B875 (2013) 738-756

بعبارة أخرى ، "الفضاء الفارغ" كما نفهمه ، بدون شحنات أو كتل أو مصادر أخرى للحقل فيه ، ليس فارغًا تمامًا ، ولكن لا يزال يحتوي على هذه الحقول الكمومية بداخله. هذا يعني أن التقلبات الكمومية ، التي تنشأ نتيجة للطبيعة الكمية لهذه الحقول جنبًا إلى جنب مع مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، موجودة في جميع أنحاء الفضاء أيضًا ، وتشغل كل حالة وأوضاع كمومية محتملة (مع احتمالات محددة وقابلة للحساب من حيث المبدأ لتلك الدول التي سيتم احتلالها) المسموح بها من قبل النظام.

قد تكون متشككًا في هذا النهج ، وتفكر في نفسك شيئًا على غرار ، "حسنًا ، ماذا في ذلك؟ نظرية المجال الكمي هي مجرد طريقة واحدة لإجراء العمليات الحسابية ، فهي ليست مثل وجود اختبار تجريبي لما إذا كانت هذه الحقول الكمية موجودة في حقيقة الفضاء الفارغ أم لا ". لكن هناك اختبار. يمكنك أن تأخذ لوحين متوازيين ، موصلين ، وتضعهما في أفضل فراغ يمكنك إنشاؤه: حيث لا توجد مادة ولا توجد مصادر من أي نوع ، فقط الحقول الكمومية المتأصلة في الفضاء الفارغ ، بما في ذلك المجال الكهرومغناطيسي الكمومي الأساسي.

توضيح لتأثير كازيمير ، وكيف تختلف القوى (والحالات المسموح بها / المحظورة في المجال الكهرومغناطيسي) الموجودة على السطح الخارجي للوحات عن القوى الموجودة في الداخل. ينتج عن هذا قوة جذب صافية ، حيث يُسمح بمزيد من الأوضاع الكمومية في الخارج أكثر من داخل الألواح.

خارج هذين الصفيحتين ، يُسمح بجميع الحالات المحتملة لهذه الحقول الكمية ، حيث لا توجد قيود على الأوضاع المحظورة. لكن داخل تلك الصفائح ، يُسمح فقط بمجموعة فرعية من تلك الحقول الكمومية ، حيث توجد شروط حدودية تمنع موجات كهرومغناطيسية معينة - وبالتالي ، بعض إثارة بعض المجالات الكمومية - من الوجود. حتى بدون أي مصادر لتلك الموجات الكهرومغناطيسية ، فإن حالات المجال المثارة (أو ، إذا كان من السهل عليك تصورها ، تلك الأوضاع والجسيمات الافتراضية) مختلفة داخل وخارج تلك الصفائح ، مما يخلق قوة صافية على تلك الصفائح: قوة كازيمير.

توقع العالم هندريك كاسيمير في عام 1948 أن أول اكتشاف تجريبي لهذه القوة لم يحدث حتى عام 1997 ، عندما أنجز الفيزيائي ستيف لامورو الإنجاز وحصل على نتيجة في حدود 5٪ من القيمة المتوقعة لكازيمير للنظام. These quantum fields really do exist all throughout space, and experiments not only show that they do exist, but show us the magnitude of their effects as well.

The contributions of the known quantum fields to the vacuum cannot be practically calculated today, . [+] but can be calculated in principle if we had an arbitrary amount of computational power. It is unknown whether the known fields, particles, and interactions are sufficient to account for the Universe we experience today, or if there are additional ones we have yet to detect.

One of the concepts that physicists wonder about is whether the quantum fields we know about — the ones that are a part of the Standard Model plus whatever the (assumed) quantum fields associated with gravity are — make up all of the quantum fields permeating empty space, or whether there are others. For example, could there be additional quantum fields arising from:

  • whatever is responsible for dark matter,
  • whatever phenomenon or field causes dark energy,
  • any fields left over from the Universe’s inflationary phase,
  • new fields or interactions arising from some sort of grand unification,
  • or any other exotic new physics (including, but not limited to, new forces or particles) that may exist beyond the Standard Model.

Although the laws of physics don’t change over the conditions we’ve observed them, from here to particle accelerators to the earliest observable stages of the Big Bang, the properties of quantum fields ensure that the strength of quantum couplings, corresponding to the forces experienced by particles owing to these quantum fields, actually change as a function of energy and temperature.

When you view the coupling constants as a function of energy on a log-log scale, they appear to . [+] nearly miss one another, at left. If you add in the supersymmetric particles as predicted, the constants meet (or come much closer to meeting) at

10^15 GeV, or the traditional grand unification scale.

CERN (European Organization for Nuclear Research), 2001

In physics, we call this “the running of the coupling constants,” and you can visualize it as having more excited-state modes occupied by these virtual quantum particles as compared to greater fractions of lower-energy, ground-state modes. Although this doesn’t imply that the quantum fields that govern the Universe were different at earlier, higher-energy times, it is suggestive of something: that perhaps these coupling constants unify at some point, indicating that the strong, weak, and electromagnetic forces might have arisen from a grander theory where all the forces are unified.

That framework not only offers up the possibility that additional quantum fields might show up and reveal their effects at those high energies, but that there might be some sort of “ultimate unification,” or a theory of everything. If such a state exists, you can imagine that as the ultimate version of a restored symmetry: like putting a ball at the absolute top of the highest mountain peak on a planet.

When a symmetry is restored (yellow ball at the top), everything is symmetric, and there is no . [+] preferred state. When the symmetry is broken at lower energies (blue ball, bottom), the same freedom, of all directions being the same, is no longer present. It's eminently possible that there are multiple "low points" that the ball could roll into for any quantum field imaginable.

When a symmetry breaks, that’s like rolling down the hill and into the lowest point of whatever valley it happens to fall into. But if you bring the ball back up to the top of the hill multiple times and balance it as best as you can, it won’t necessarily roll down the same way every time. Depending on factors like:

  • very slight differences in initial conditions,
  • small, even quantum, fluctuations,
  • at what rate the Universe expands or cools,
  • and the presence or absence of novel field couplings,

that broken symmetry can wind up in one of any number of possible final states. There is no guarantee, if we ran the clock back to some extremely early time, the laws of physics and the fundamental constants that emerged to govern our Universe would be the same each and every time we did it. Just like we believe we “won” the cosmic lottery by having human life arise on Earth (and most probably nowhere else in the Universe), it’s possible we won the cosmic lottery by getting the laws and constants that we did.

An illustration of multiple, independent Universes, causally disconnected from one another in an . [+] ever-expanding cosmic ocean, is one depiction of the multiverse idea. Different "pocket Universes" can arise in a multiverse, but no one knows if these universes will have different laws or fundamental constants from our own.

When we run the clock backwards to the earliest stages of the hot Big Bang, however, we see no evidence that the Universe ever reached sufficient temperatures that this theorized unification (and restoration of a symmetry) actually occurred. When you break a symmetry, particles are produced, and if this type of grand unification occurred, it should have produced a large number of magnetic monopoles: particles that clearly don’t exist in our Universe. If the quantum fields that we know of today emerged from some earlier state where they didn’t exist previously, that state must be confined to a realm before the hot Big Bang.

Does that mean they could have been created during cosmic inflation?

It’s possible, but we don’t know. Based on the inferred limits on the energies achieved during inflation — which themselves come from the fluctuations generated during inflation that are imprinted in our CMB and large-scale structure today — inflation might not have reached sufficient energies for this to occur. Although successful models of inflation demand a multiverse, it’s still speculative to presume that the constants or laws are different in different “pocket Universes.”

The quantum fluctuations that occur during inflation do indeed get stretched across the Universe, . [+] but they also cause fluctuations in the total energy density. These field fluctuations cause density imperfections in the early Universe, which then lead to the temperature fluctuations we experience in the cosmic microwave background. The fluctuations, according to inflation, must be adiabatic in nature.

E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY

However, one thing that is certain is that quantum fields of some variety must have still existed during inflation. They may or may not be the same quantum fields that exist today, and there may have been additional quantum fields over and above the ones we know of and have today, but they had to exist. كيف نعرف؟ Because the fluctuations that we see in the Universe, the ones that gave rise to the cosmic structure that eventually formed, match exactly the ones predicted to arise from fluctuating quantum fields that existed during inflation.

Those fluctuations, the ones that normally occur on tiny, microscopic quantum scales, get stretched across the Universe during inflation, get translated into temperature and density fluctuations at the start of the hot Big Bang, and imprint themselves irrevocably onto the Universe. The fact that we’ve observed these fluctuations and their consequences tell us, quite definitively, that those quantum fields did exist during inflation.

For as long as spacetime has existed, some version of quantum fields must have existed as well. But whatever occurred in our Universe prior to the final tiny fraction-of-a-second of inflation can never be observed or accessed from within our observable Universe. In the absence of evidence, we are bound to probe the limits of what’s known and match them up with whatever’s left as a possibility. However fun and instructive it may be to speculate, the truth is we simply don’t know.


Time Travel & the Bootstrap Paradox Explained

The Bootstrap Paradox is a theoretical paradox of time travel that occurs when an object or piece of information sent back in time becomes trapped within an infinite cause-effect loop in which the item no longer has a discernible point of origin, and is said to be “uncaused” or “self-created”. It is also known as an Ontological Paradox, in reference to ontology, a branch of metaphysics dealing with the study of being and existence.

Etymology of Bootstrap Paradox

The term Bootstrap Paradox is derived from the expression to “pull oneself over a fence by one’s bootstraps”, which indicates performing an impossible or ludicrous task. In this instance, by pulling yourself over a fence by holding onto your bootlaces and tugging upwards. The first reference to such an absurdly impossible action is widely believed to originate from an 18th century literary classic, The Surprising Adventures of Baron Munchhausen, in which the eponymous hero is stuck in a swamp, and manages to escape by pulling upwards on his own hair.

The term “bootstrap paradox” was subsequently popularized by science fiction writer Robert A. Heinlein, whose book, By His Bootstraps (1941), tells the story of Bob Wilson, and the time travel paradoxes he encounters after using a time portal. One such example involves Wilson traveling to the future and being give a notebook by his future self, before then traveling to an earlier point in the future and using the book’s useful information to set himself up as a benevolent dictator. After the notebook becomes worn, Wilson copies the information into a new notebook and disposes of the original. He later muses that there never were two notebooks, and that the newly created one is actually the one given to him in the far future. So who wrote the book, and where did its information actually originate?

Bootstrap Paradox Examples

– Information: An example of a bootstrap paradox involving information would be if a time traveler went back in time and taught Einstein the theory of relativity, before returning to his own time. Einstein claims it’s his own work, and over the following decades the theory is published countless times until a copy of it eventually ends up in the hands of the original time traveler who then takes it back to Einstein, begging the question “where did the theory originate”. We cannot say that it came from the time traveler as he learned it from Einstein, but we also cannot say that it is from Einstein, since he was taught it by the time traveler. Who, then, discovered the theory of relativity?

In fiction, the Doctor Who episode ‘Blink’ contains an information paradox in which a video message forms an endless loop spanning thirty-eight years. Likewise, the two-part Doctor Who episodes ‘Under the Lake’, and ‘Before the Flood’ also features a nifty paradox anecdote involving Beethoven’s music. The 2014 film ‘Time Lapse‘ provides a further example of a story rich in bootstrap paradoxes, with the main characters responding daily to photos they receive from 24 hours into their future.

– Object: Somewhere in Time (1980) provides an example of a bootstrap paradox involving an object, in this case a pocket watch. In 1972, Christopher Reeve is given a watch by an old woman, which it turns out was given to her younger self by Reeve after traveling back to 1912. The young woman then completes the infinite loop by giving the watch to Reeve in 1972 when she’s older. An inconsistency that subsequently arises is how the pocket watch survives countless time cycles while remaining “unaged” and unaffected by time. The problem is no less true for information trapped inside a bootstrap paradox. Both seem to violate the second-law of Thermodynamics, which states that entropy (gradual decline into disorder) will always increase over time.

In the Terminator movies, Skynet is an example of a bootstrap paradox involving an object. Skynet, the conscious AI system and mankind’s nemesis, could not have been invented without the leftover components of the T-800 cybernetic organism it sent back in time to stop John Connor. The technology was analyzed and Skynet and cyborgs were subsequently created through reverse engineering.

– Person: The most extreme example of a bootstrap paradox involving a person can be found in the Robert A. Heinlein’s short story “All You Zombies” (1959), which inspired the 2014 movie “Predestination“. Here the main character, an intersex male born a female, is tricked into going back in time and impregnating his pre-gender reassigned female self, who subsequently gives birth to himself/herself. As a result he becomes a self-created entity who is both his own mother and father. This naturally presents a real mind bending chicken-and-egg conundrum. Once again, however, the story appears to be self-consistent, with no changes taking place each time through the loop. Nevertheless, Heinlein doesn’t attempt to answer the role “free will” plays in this imaginative scenario.

The Futurama episode ‘Roswell That Ends Well’ where Fry becomes his own grandfather provides another good example of a person centric bootstrap paradox in fiction. As does the Terminator movies, once more, with a future John Connor sending Kyle Reese to the past to impregnate Sarah Connor, who then gives birth to John Connor.

Self-Consistent with Timeline

Consistency Paradoxes, such as the Grandfather Paradox, The Hitler paradox, and Polchinski’s Paradox, result in a ‘self-inconsistent’ solution with the timeline’s history. After all, if a time traveler killed his own grandfather then he would never have been born, and so would not have been able to travel back through time and murder his grandfather. This would be a paradox.

The Predestination Paradox and the Bootstrap Paradox, on the other hand, are examples of closed loops in time in which ’cause and effect’ repeat in a circular pattern, resulting in a self-created entity with no point of origin. Despite being an oddity and apparently conspiring against our understanding of causality, this ‘self-caused’ event, like the Big Bang, does not appear to be an impossibility. Nor does it imply any inconsistency with the timeline’s history. In fact, all the events in the time loop are “fixed” and take place on a single unchangeable timeline.

Problems

Einstein’s Theory of General Relativity tells us that we have got almost complete freedom of movement into the future. Time travel to the past, on the other hand, throws up a number of paradoxes. That’s despite his equations maintaining that four-dimensional space-time can be twisted into any shape, and that loops in space-time are possible. Any time travel paradoxes which do arise are therefore of particular concern to theoretical physicists. Their line of reasoning has subsequently lead many of them to conclude that time travel to the past must be impossible. Some of those fundamental breeches in the laws of physics include the following examples:

– Law of Causality: While a bootstrap paradox may produce a consistent account of the timeline’s history, one problem associated with this ontological conundrum is an apparent violation of the Law of Causality. As a result, scientists are presented with an obvious problem in that they are no longer able to say that a past ’cause’ leads to a future ‘event’. After all, the event may equally have been created in the future before leading to its cause in the past. This suggests that instead of time moving from a dead past to an undetermined future, the past, present and future are, in fact, all equally real at the same time. In the process, rendering the task of defining the “origin” of anything, a term usually associated with the past, now meaningless.

– Law of Entropy: Another problem associated with a bootstrap paradox is an apparent violation of the second law of thermodynamics, which states that systems always flow from a state of order to a state of disorder. This would suggest that an object or information trapped within a time loop would continue to age and eventually disintegrate. We touched upon this earlier with the pocket watch in Somewhere In Time, which one would have expected to get older as it progressed through the cycle. In which case, the item cannot be the same as the one sent back in time, which creates a contradiction and raises the prospect of Theseus’ paradox, and the question of identity. Furthermore, the watch ultimately wearing out would also indicate a discontinuity in the story, as Jane Seymour could then have never have received it as a young woman and the time loop could never have started.

Possible Solutions

Working on the assumption of an “immutable” timeline in which the circle of events are identical every time, the ‘Somewhere In Time’ example raises the problem of an increasingly aging pocket watch. One solution may be to assume that entropy is somehow reversed by time travel, although this may also suggest that the matter which comprised Reeve himself would also have subsequently been restored to its 1912 state when he returned to the past, which needless to say would not be in the form of Reeve.

Well, perhaps not, according to Russian professor Novikov, as the second law of thermodynamics is thought to be a statistical law, and not an absolute one, making spontaneous entropy reversals or failure to increase improbable, but not impossible. Furthermore, the second law of thermodynamics applies only to a system isolated from the external world, and as Novikov argues:

“.. in the case of macroscopic objects like the watch whose worldlines form closed loops, the outside world can expend energy to repair wear/entropy that the object acquires over the course of its history, so that it will be back in its original condition when it closes the loop. (wiki)”

Otherwise, it would be intriguing to consider the possibility that the time traveling watch might have to obey the ‘timeline protection hypothesis’ which states that any attempt to create a paradox would fail due to a probability distortion being created. Imagine a young Jane Seymour becoming angry, for instance, and throwing the watch at the wall. The wall may be damaged slightly but the watch must remain in the same state. Probability would bend to prevent any damage occurring to the watch, which could result in some pretty incredible outcomes. Nevertheless, the universe must favor an improbable event happening, in order to prevent an impossible one.

A final possibility involves a chrononaut finding himself in a parallel universe or multiverse each time he travels to the past, thereby changing nothing of his original timeline.


Bias busting

س: Last year, the erstwhile president of Harvard, Lawrence Summers, caused quite a stir in the academic world when he suggested it might be worthwhile to look into the question of whether intrinsic aptitude, rather than social or cultural forces, was behind the fact that there aren't more women in high ranks of science and engineering. Do you think it was wrong of him to make that speculation?

Ghez: Well, it's hard to say whether or not it was right or wrong to make the statement. But let me tackle instead whether it was helpful or not helpful for him to make this comment. While I think my initial reaction was absolute outrage, in hindsight I've realized that it was quite a useful remark for him to make.

&ldquoNow my work has just become one big puzzle, and that&rsquos what keeps me going.&rdquo

I think in our culture tremendous biases exist against women in the physical sciences and engineering, and in the sciences in general. And these are unspoken biases, so they're things that women have to fight against without them being explicit. What Summers did was make the issue explicit and open discussion, which I think was very helpful. I, of course, don't think there are any intrinsic aptitude differences, but I do think that there are strong cultural biases against women going into these fields.

س: So you think it was actually helpful that Summers's comments made headline news?

Ghez: I think it was wonderful that they were aired. I don't agree with his implication, but I do think that there has been a positive outcome. Maybe this is just looking at the glass half full as opposed to half empty.

س: There are certainly a number of very accomplished women in astronomy and astrophysics. Do you think that it's a relatively friendly field toward women?

Ghez: One of the things that distinguishes astronomy and astrophysics is that there've been women in the field for a long time. A long time ago, some famous women worked at Harvard Observatory, ironically, who were there not necessarily for their brainpower but to catalogue and categorize things. Yet many of these women made very important discoveries. As a result, I think it made this field more open to women. Now, mind you, there's still a lot of progress to be made in encouraging more women into this field.

س: You still have to have a strong sense of yourself and confidence in your abilities to make a career out of it.

Ghez: Yes, but a lot of women are doing it, and I think that's just great.

س: In addition to a very busy professional life, you have a busy family life—you've got a couple of young kids. Would you want your own kids to become scientists, would you encourage them?

Ghez: I want them to explore what interests them. I don't want them to feel inhibited by any biases that our culture might have about what they should or should not be, and that, of course, includes my own biases. If they're interested in science and they want to become scientists, that's great. But I certainly don't want to pressure them.

س: What keeps you excited about your work?

Ghez: Research is a wonderful career, because once you've started to do work on one question, what you find is not only the answer to the first question but often new puzzles. And I think that's what keeps me going, is that there are always open questions, open puzzles. I think from very early on I loved puzzles. I loved the crossword puzzle. I love any kind of puzzle. And now my work has just become one big puzzle, and that's what keeps me going.

"Timing is everything, and we were certainly in the right place at the right time," says Andrea Ghez of her team's successful search for what is thought to be a supermassive black hole at our galaxy's core.

A color-mosaic image from Ghez's group of the heart of the Milky Way galaxy. The arrow points to the location of the proposed supermassive black hole.

Displayed here in dots of different colors, the orbits of seven stars in the very center of our galaxy have provided the best evidence yet that a black hole the mass of three million suns lurks there.

The Keck II telescope on Hawaii's Mauna Kea volcano, with a laser used in advanced imaging of the kind that Ghez's team employs

Not to worry: there's no danger that Earth will be sucked into our galaxy's supermassive black hole. The two are simply too far apart for that.

An infrared image of the galactic center taken by Ghez's group at the Keck Observatory

"I announced to my mother when I was four that I was going to be the first woman to the moon!" says Ghez, who grew up with the Apollo moon landings. (Note: Though it might as well be, the girl pictured here is not Andrea.)

The ladies of Observatory Hill: some of the women in this early photo made significant contributions to astronomy while working at the Harvard College Observatory.

Interview conducted on July 31, 2006 and edited by Susan K. Lewis, editor of NOVA online