Juodosios skylės istorija. Juodoji skylė. Kas tai yra? Žvaigždės, kurios gimdo tamsą

Balandžio 10 d. projekto Event Horizon Telescope astrofizikų komanda išleido pirmąjį juodosios skylės vaizdą. Šie milžiniški, bet nematomi kosminiai objektai vis dar yra vieni paslaptingiausių ir labiausiai intriguojančių mūsų visatoje.

Skaitykite apačioje

Kas yra juodoji skylė?

Juodoji skylė yra objektas (erdvės laiko sritis), kurio gravitacija yra tokia stipri, kad pritraukia visus žinomus objektus, įskaitant ir judančius šviesos greičiu. Patys šviesos kvantai taip pat negali palikti šio regiono, todėl juodoji skylė yra nematoma. Galite stebėti tik elektromagnetines bangas, spinduliuotę ir erdvės aplink juodąją skylę iškraipymus. Išleistas Event Horizon Telescope, pavaizduotas juodosios skylės įvykių horizontas – itin stiprios gravitacijos srities riba, įrėminta akreciniu disku – šviečiančia medžiaga, kurią „įsiurbia“ skylė.

Terminas „juodoji skylė“ atsirado XX amžiaus viduryje, jį įvedė amerikiečių fizikas teoretikas Johnas Archibaldas Wheeleris. Pirmą kartą jis pavartojo šį terminą moksline konferencija 1967 metais.

Tačiau prielaidos apie tokių masyvių objektų egzistavimą, kad net šviesa negali įveikti jų traukos jėgos, buvo iškeltos jau XVIII a. Šiuolaikinė juodųjų skylių teorija pradėjo formuotis bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose. Įdomu tai, kad pats Albertas Einšteinas netikėjo juodųjų skylių egzistavimu.

Iš kur jie atvyko Juodosios skylės?

Mokslininkai mano, kad juodosios skylės yra skirtingos kilmės. Didžiulės žvaigždės savo gyvenimo pabaigoje tampa juodąja skyle: per milijardus metų keičiasi dujų sudėtis ir jose esanti temperatūra, o tai lemia disbalansą tarp žvaigždės gravitacijos ir karštų dujų slėgio. Tada žvaigždė griūva: jos tūris mažėja, bet kadangi masė nekinta, tankis didėja. Tipiškos žvaigždžių masės juodosios skylės spindulys yra 30 kilometrų, o tankis – daugiau nei 200 milijonų tonų kubiniame centimetre. Palyginimui: kad Žemė taptų juodąja skyle, jos spindulys turi būti 9 milimetrai.

Yra dar vienas juodųjų skylių tipas – supermasyvios juodosios skylės, kurios sudaro daugumos galaktikų šerdį. Jų masė milijardą kartų didesnė už žvaigždžių juodųjų skylių masę. Supermasyvių juodųjų skylių kilmė nežinoma, tačiau iškelta hipotezė, kad jos kažkada buvo žvaigždžių masės juodosios skylės, kurios išaugo apėmus kitas žvaigždes.

Taip pat yra prieštaringa idėja apie pirminių juodųjų skylių egzistavimą, kurios galėjo atsirasti suspaudus bet kokią masę visatos egzistavimo pradžioje. Be to, yra prielaida, kad didžiajame hadronų greitintuve susidaro labai mažos juodosios skylės, kurių masė artima elementariųjų dalelių masei. Tačiau šios versijos patvirtinimo kol kas nėra.

Ar juodoji skylė praris mūsų galaktiką?

Paukščių Tako galaktikos centre yra juodoji skylė – Šaulys A*. Jo masė keturis milijonus kartų viršija Saulės masę, o dydis – 25 milijonai kilometrų – maždaug lygus 18 saulių skersmeniui. Tokie masteliai kai kuriuos priverčia susimąstyti: ar juodoji skylė kelia grėsmę visai mūsų galaktikai? Tokių prielaidų priežastys – ne tik mokslinė fantastika: prieš keletą metų mokslininkai pranešė apie galaktiką W2246-0526, esančią 12,5 mlrd. šviesmečių nuo mūsų planetos. Remiantis astronomų aprašymu, esančiu W2246-0526 centre, supermasyvi juodoji skylė ją palaipsniui ardo, o dėl šio proceso atsirandanti spinduliuotė į visas puses pagreitina milžiniškus karštus dujų debesis. Juodosios skylės išdraskyta galaktika šviečia ryškiau nei 300 trilijonų saulės.

Tačiau niekas panašaus nekelia grėsmės mūsų namų galaktikai (bent jau trumpuoju laikotarpiu). Dauguma Paukščių Tako objektų, įskaitant saulės sistema, yra per toli nuo juodosios skylės, kad pajustų jos trauką. Be to, „mūsų“ juodoji skylė neįtraukia visos medžiagos kaip dulkių siurblys, o veikia tik kaip gravitacinis inkaras aplink ją skriejančių žvaigždžių grupei – kaip Saulė planetoms.

Tačiau net jei kada nors pasieksime už juodosios skylės įvykių horizonto, greičiausiai to net nepastebėsime.

Kas atsitiks, jei „įkrisite“ į juodąją skylę?

Juodosios skylės ištrauktas objektas greičiausiai negalės iš ten sugrįžti. Norint įveikti juodosios skylės gravitaciją, reikia išvystyti didesnį nei šviesos greitį, tačiau žmonija dar nežino, kaip tai padaryti.

Gravitacinis laukas aplink juodąją skylę yra labai stiprus ir netolygus, todėl visi šalia jos esantys objektai keičia formą ir struktūrą. Ta objekto pusė, kuri yra arčiau įvykių horizonto, traukiama didesne jėga ir krenta su didesniu pagreičiu, todėl visas objektas išsitempia, tampa panašus į makaronus. Šį reiškinį jis aprašė savo knygoje Apsakymas laiko, garsaus fiziko teorinio Stepheno Hawkingo. Dar prieš Hokingą astrofizikai šį reiškinį vadino spagetifikavimu.

Jei apibūdinsite spagečių susidarymą astronauto, kuris pirmas skrido iki juodosios skylės pėdų, požiūriu, tada gravitacinis laukas įtemps jo kojas, o tada ištemps ir suplėšys kūną, paversdamas jį subatominių dalelių srautu.

Iš išorės neįmanoma pamatyti kritimo į juodąją skylę, nes ji sugeria šviesą. Išorinis stebėtojas matys tik tai, kad objektas, artėjantis prie juodosios skylės, palaipsniui sulėtėja, o tada visai sustoja. Po to objekto siluetas vis labiau neryškus, raudonis, galiausiai tiesiog išnyks amžiams.

Pasak Stepheno Hawkingo, visi juodosios skylės pritraukti objektai lieka įvykių horizonte. Iš reliatyvumo teorijos išplaukia, kad šalia juodosios skylės laikas sulėtėja iki sustojimo, todėl žmogui, kuris patenka, pats įkritimas į juodąją skylę gali niekada ir neįvykti.

Kas viduje?

Dėl akivaizdžių priežasčių šiuo metu nėra patikimo atsakymo į šį klausimą. Tačiau mokslininkai sutinka, kad mums žinomi fizikos dėsniai juodosios skylės viduje nebegalioja. Remiantis viena įdomiausių ir egzotiškiausių hipotezių, erdvės ir laiko kontinuumas aplink juodąją skylę yra taip iškreiptas, kad pačioje realybėje susidaro skylė, kuri gali būti portalas į kitą visatą – arba vadinamoji kirmgrauža.

Juodosios skylės: paslaptingiausi objektai visatoje

Juodoji skylė yra erdvės sritis, kurioje gravitacinė trauka yra tokia stipri, kad nei materija, nei spinduliuotė negali palikti šios srities. Ten esantiems kūnams antrasis kosminis greitis (pabėgimo greitis) turėtų viršyti šviesos greitį, o tai neįmanoma, nes nei medžiaga, nei spinduliuotė negali judėti greičiau už šviesą. Todėl niekas negali ištrūkti iš juodosios skylės. Regiono, už kurio neišeina jokia šviesa, riba vadinama „įvykių horizontu“ arba tiesiog juodosios skylės „horizontu“.

Juodųjų skylių susidarymo hipotezės esmė yra tokia: jei tam tikra medžiagos masė atsiduria santykinai mažame, jai kritiniame tūryje, tai veikiama savo gravitacinių jėgų tokia materija pradeda nevaldomai trauktis. Ateina savotiška gravitacinė katastrofa – gravitacinis kolapsas. Dėl suspaudimo padidėja medžiagos koncentracija. Galiausiai ateina momentas, kai gravitacinė jėga jo paviršiuje tampa tokia didelė, kad norint ją įveikti, reikia išvystyti greitį, viršijantį šviesos greitį. Tokie greičiai praktiškai nepasiekiami, o iš uždaros juodosios skylės erdvės negali ištrūkti nei šviesos spinduliai, nei medžiagos dalelės. Juodosios skylės spinduliuotę „užrakina“ gravitacija. Juodosios skylės gali sugerti tik spinduliuotę

Kad gravitacinis laukas galėtų „užrakinti“ šį lauką sukuriančią spinduliuotę, masė (M) turi susitraukti iki tūrio, kurio spindulys mažesnis už „gravitacinį spindulį“ r g = 2GM/c 2 . Dėl šios priežasties sukurti ir ištirti juodąją skylę laboratorijoje beveik neįmanoma: kad bet kokios protingos masės (net milijonų tonų) kūnas taptų juodąja skyle, jis turi būti suspaustas iki dydžio, mažesnio už protono arba neutrono dydžio, todėl juodųjų skylių savybės vis dar tiriamos tik teoriškai.

Tačiau skaičiavimai rodo, kad astronominio masto kūnai (pavyzdžiui, masyvios žvaigždės) po to, kai juose išsenka termobranduolinis kuras, veikiami savo gravitacijos gali susitraukti iki gravitacinio spindulio dydžio. Tokių objektų paieškos tęsiasi daugiau nei 40 metų, o dabar galima labai užtikrintai nurodyti keletą labai tikėtinų juodųjų skylių, kurių masė yra nuo vienetų iki milijardų saulės masių, kandidatų. Tačiau jų studijoms trukdo didžiuliai atstumai nuo Žemės. Ir nors patį juodųjų skylių egzistavimo faktą jau sunku suabejoti, praktinis jų savybių tyrimas dar laukia.

1. Juodųjų skylių idėjos istorija.

Anglų geofizikas ir astronomas Johnas Michellas teigė, kad gamtoje gali būti tokių masyvių žvaigždžių, kad net šviesos spindulys nepajėgia palikti jų paviršiaus. Remdamasis Niutono dėsniais, Michelis apskaičiavo, kad jei Saulės masės žvaigždės spindulys būtų ne didesnis kaip 3 km, tai net šviesos dalelės (kurias jis, vadovaudamasis Niutono dėsniais, laikė kūneliais) negalėtų nuskristi toli nuo tokios žvaigždės. Todėl tokia žvaigždė iš tolo atrodytų visiškai tamsi. Michell šią idėją pristatė 1783 m. lapkričio 27 d. Londono karališkosios draugijos posėdyje. Taip gimė „niutono“ juodosios skylės koncepcija.

Tą pačią mintį savo knygoje „Pasaulio sistema“ (1796) išsakė prancūzų matematikas ir astronomas Pierre'as Simonas Laplasas. Paprastas skaičiavimas leido jam parašyti: „Šviečianti žvaigždė, kurios tankis lygus Žemės tankiui, o skersmuo 250 kartų didesnis už Saulės skersmenį, neleidžia mūsų pasiekti nei vienam šviesos pluoštui dėl savo gravitacijos. ; todėl gali būti, kad ryškiausi dangaus kūnai Visatoje yra nematomi. Tačiau tokios žvaigždės masė turėtų būti dešimtis milijonų kartų didesnė už saulės. Ir kadangi tolesni astronominiai matavimai parodė, kad tikrų žvaigždžių masės nelabai skiriasi nuo saulės, Mitchello ir Laplaso idėja apie juodąsias skyles buvo pamiršta.

XIX amžiuje idėja apie kūnus, nematomus dėl jų masyvumo, nesukėlė didelio mokslininkų susidomėjimo. Taip buvo dėl to, kad klasikinėje fizikoje šviesos greitis neturi esminės reikšmės. Tačiau į pabaigos XIX- XX amžiaus pradžioje buvo nustatyta, kad J. Maxwello suformuluoti elektrodinamikos dėsniai, viena vertus, galioja visose inercinėse atskaitos sistemose, kita vertus, neturi invariancijos. Galilėjos transformacijos. Tai reiškė, kad fizikoje susiformavusias idėjas apie perėjimo nuo vienos inercinės atskaitos sistemos prie kitos prigimtį reikia gerokai pakoreguoti.

Toliau plėtojant elektrodinamiką, G. Lorencas pasiūlė naują erdvės ir laiko koordinačių transformacijų sistemą (šiandien žinomas kaip Lorenco transformacijos), kurios atžvilgiu Maksvelo lygtys liko nekintamos. Plėtodamas Lorentzo idėjas, A. Poincare'as pasiūlė, kad visi kiti fizikiniai dėsniai taip pat yra nekintami pagal šias transformacijas.

1905 metais A. Einšteinas savo specialiojoje reliatyvumo teorijoje (SRT) panaudojo Lorentzo ir Poincaré sąvokas, kuriose inercinių atskaitos sistemų transformacijos dėsnio vaidmuo galutinai perėjo nuo Galilėjaus transformacijų prie Lorenco transformacijų. Klasikinė (Galilėjo nekintama) mechanika buvo pakeista nauja, Lorenco nekintama reliatyvistine mechanika. Pastarojo rėmuose šviesos greitis pasirodė esąs ribojantis greitis, kurį gali vystytis fizinis kūnas, o tai radikaliai pakeitė juodųjų skylių reikšmę teorinėje fizikoje.

Tačiau Niutono gravitacijos teorija (kuria buvo pagrįsta pirminė juodųjų skylių teorija) nėra Lorenco invariantė. Todėl jis negali būti taikomas kūnams, judantiems beveik šviesos ir šviesos greičiu. Be šio trūkumo, reliatyvistinė gravitacijos teorija buvo sukurta daugiausia Einšteino (kuris galutinai ją suformulavo iki 1915 m. pabaigos) ir buvo pavadinta bendrąja reliatyvumo teorija (GR).

Antrą kartą mokslininkai „susidūrė“ su juodosiomis skylėmis buvo 1916 m., kai vokiečių astronomas Karlas Schwarzschildas gavo pirmąjį tikslų GR lygčių sprendimą. Paaiškėjo, kad tuščia erdvė aplink masyvų tašką turi singuliarumą r g atstumu nuo jo; todėl dydis r g dažnai vadinamas „Schwarzschild spinduliu“, o atitinkamas paviršius (įvykių horizontas) vadinamas Schwarzschild paviršiumi. Per kitą pusę amžiaus teoretikų pastangos išaiškino daug stebinančių Schwarzschildo sprendimo bruožų, tačiau juodosios skylės dar nebuvo laikomos tikru tyrimo objektu.

Tiesa, ketvirtajame dešimtmetyje, sukūrus kvantinę mechaniką ir atradus neutroną, fizikai tyrė kompaktiškų objektų (baltųjų nykštukų ir neutroninių žvaigždžių), kaip normalių žvaigždžių evoliucijos produktų, susidarymo galimybę. Apskaičiavimai parodė, kad pasibaigus branduoliniam kurui žvaigždės žarnyne, jos šerdis gali susitraukti ir virsti maža ir labai tankia balta nykštuke arba dar tankesne ir labai mažyte neutronine žvaigžde.

1934 metais JAV dirbę Europos astronomai Fritzas Zwicky ir Walteris Baade'as iškėlė hipotezę – supernovų sprogimai yra labai ypatingas žvaigždžių sprogimų tipas, kurį sukelia katastrofiškas žvaigždės branduolio suspaudimas. Taigi pirmą kartą idėja gimė dėl galimybės stebėti žvaigždės griūtį. Baade ir Zwicky pasiūlė, kad supertanki išsigimusi žvaigždė, susidedanti iš neutronų, susidaro dėl supernovos sprogimo. Skaičiavimai parodė, kad tokie objektai iš tiesų gali gimti ir būti stabilūs, tačiau tik esant vidutinei pradinei žvaigždės masei. Bet jei žvaigždės masė viršija tris Saulės mases, niekas negali sustabdyti jos katastrofiško žlugimo.

1939 metais amerikiečių fizikai Robertas Oppenheimeris ir Hartlandas Snyderis pagrindė išvadą, kad masyvios žvaigždės šerdis turi nepaliaujamai griūti į itin mažą objektą, kurio erdvės savybes (jei ji nesisuka) apibūdina Schwarzschildo sprendimas. . Kitaip tariant, didžiulės žvaigždės šerdis jos evoliucijos pabaigoje turėtų greitai susitraukti ir patekti į įvykių horizontą, tapdama juodąja skyle. Bet kadangi toks objektas (kaip tada sakydavo, „kolapsaras“, arba „užšalusi žvaigždė“) nespinduliuoja elektromagnetinių bangų, astronomai suprato, kad jį kosmose aptikti bus neįtikėtinai sunku, todėl ilgai ieškoti nepradėjo. laikas.

Kadangi joks informacijos nešėjas nepajėgus palikti įvykių horizonto, juodosios skylės vidus priežastiniu požiūriu nesusijęs su likusia Visatos dalimi, o juodosios skylės viduje vykstantys fiziniai procesai negali paveikti procesų už jos ribų. Tuo pačiu metu medžiaga ir spinduliuotė, patenkanti iš išorės į juodąją skylę, laisvai prasiskverbia į vidų per horizontą. Galima sakyti, kad juodoji skylė viską sugeria ir nieko neišleidžia. Dėl šios priežasties gimė terminas „juodoji skylė“, kurį 1967 metais pasiūlė amerikiečių fizikas Johnas Archibaldas Wheeleris.

2. Juodųjų skylių susidarymas

Akivaizdžiausias būdas juodajai skylei susidaryti yra masyvios žvaigždės šerdies griūtis. Kol žvaigždės žarnyne išsenka branduolinio kuro atsargos, jo pusiausvyrą palaiko termobranduolinės reakcijos (vandenilio pavertimas heliu, vėliau anglimi ir kt., masyviausiose žvaigždėse iki geležies). Šiuo atveju išsiskirianti šiluma kompensuoja energijos praradimą, paliekant žvaigždę su savo spinduliuote ir žvaigždžių vėju. Palaiko termobranduolines reakcijas aukštas spaudimasžvaigždės viduje, neleidžiant jai subyrėti veikiant savo gravitacijai. Tačiau laikui bėgant branduolinis kuras išsenka ir žvaigždė pradeda trauktis.

Sparčiausiai susitraukia žvaigždės šerdis, tuo tarpu ji stipriai įkaista (jos gravitacinė energija virsta šiluma) ir įkaitina ją supantį apvalkalą. Dėl to žvaigždė praranda savo išorinius sluoksnius lėtai besiplečiančio planetinio ūko arba katastrofiškai išmesto supernovos apvalkalo pavidalu. O besitraukiančio branduolio likimas priklauso nuo jo masės. Skaičiavimai rodo, kad jei žvaigždės šerdies masė neviršija trijų Saulės masių, tai ji „laimi kovą su gravitacija“: jos suspaudimą sustabdys išsigimusios medžiagos slėgis, o žvaigždė pavirs baltąja nykštuke arba neutroninė žvaigždė. Bet jei žvaigždės šerdies masė yra didesnė nei trys saulės, tada niekas negali sustabdyti jos katastrofiško žlugimo ir ji greitai pateks po įvykių horizontu, tapdama juodąja skyle. Kaip matyti iš r g formulės, juodosios skylės, kurios masė yra 3 saulės masės, gravitacinis spindulys yra 8,8 km.

Astronominiai stebėjimai puikiai sutampa su šiais skaičiavimais: visų dvinarių žvaigždžių sistemų komponentų, pasižyminčių juodųjų skylių savybėmis (2005 m. žinoma apie 20 jų), masė yra nuo 4 iki 16 saulės masių. Žvaigždžių evoliucijos teorija rodo, kad per 12 milijardų mūsų Galaktikos, kurioje yra apie 100 milijardų žvaigždžių, egzistavimo metų, žlugus masyviausiems iš jų, turėjo susidaryti kelios dešimtys milijonų juodųjų skylių. Be to, labai didelės masės (nuo milijonų iki milijardų Saulės masių) juodosios skylės gali būti didelių galaktikų, įskaitant ir mūsų, branduoliuose. Tai liudija astronominiai stebėjimai, nors šių milžiniškų juodųjų skylių susidarymas nėra iki galo aiškus.

Jei mūsų laikais didelis medžiagos tankis, būtinas juodajai skylei gimti, gali atsirasti tik griūvančiose masyvių žvaigždžių šerdyje, tai tolimoje praeityje, iškart po Didžiojo sprogimo, nuo kurio prasidėjo Visatos plėtimasis apie 14 m. Prieš milijardus metų didelis medžiagos tankis buvo visur. Todėl dėl nedidelių tankio svyravimų toje eroje gali atsirasti bet kokios masės juodosios skylės, įskaitant mažas. Tačiau mažiausias iš jų dėl kvantinių efektų turėjo išgaruoti, praradęs masę spinduliuotės ir dalelių srautų pavidalu. „Pirminės juodosios skylės“, kurių masė didesnė nei 10 12 kg, galėtų išlikti iki šių dienų. Mažiausias iš jų, sveriantis 10–12 kg (kaip mažas asteroidas), turėtų būti 10–15 m dydžio (kaip protonas ar neutronas).

Galiausiai, yra hipotetinė mikroskopinių juodųjų skylių atsiradimo galimybė greitų elementariųjų dalelių tarpusavio susidūrimų metu. Tai viena iš stygų teorijos prognozių – viena iš šiuo metu konkuruojančių fizikinių materijos sandaros teorijų. Stygų teorija numato, kad erdvė turi daugiau nei tris matmenis. Gravitacija, skirtingai nei kitos jėgos, turi sklisti per visus šiuos matmenis ir todėl ženkliai padidėti nedideliais atstumais. Kai dvi dalelės (pavyzdžiui, protonai) smarkiai susiduria, jos gali būti pakankamai suspaustos, kad susidarytų mikroskopinė juodoji skylė. Po to ji beveik akimirksniu subyrės („išgaruos“), tačiau šio proceso stebėjimas labai domina fiziką, nes garuodama skylė išskirs visų rūšių gamtoje egzistuojančias daleles. Jei stygų teorijos hipotezė teisinga, tai tokios juodosios skylės gali atsirasti susidūrus kosminių spindulių energetinėms dalelėms su Žemės atmosferos atomais, taip pat ir galingiausiuose elementariųjų dalelių greitintuvuose.

3. Juodųjų skylių savybės

Netoli juodosios skylės gravitacinio lauko intensyvumas yra toks didelis, kad ten vykstančius fizikinius procesus galima apibūdinti tik naudojant reliatyvistinę gravitacijos teoriją. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją erdvę ir laiką išlenkia masyvių kūnų gravitacinis laukas, o didžiausias kreivumas būna šalia juodųjų skylių. Kai fizikai kalba apie laiko ir erdvės intervalus, jie turi omenyje skaičius, nuskaitomus iš bet kurio fizinio laikrodžio ar liniuotės. Pavyzdžiui, laikrodžio vaidmenį gali atlikti tam tikrą svyravimų dažnį turinti molekulė, kurios skaičių tarp dviejų įvykių galima pavadinti „laiko intervalu“.

Svarbu, kad gravitacija visas fizines sistemas veiktų vienodai: visi laikrodžiai rodo, kad laikas lėtėja, o visi valdovai, kad erdvė yra ištempta šalia juodosios skylės. Tai reiškia, kad juodoji skylė iškreipia erdvės ir laiko geometriją aplink save. Toli nuo juodosios skylės šis kreivumas yra mažas, bet šalia toks didelis, kad šviesos spinduliai gali judėti aplink ją ratu. Toli nuo juodosios skylės jos gravitacinis laukas tiksliai aprašytas Niutono teorijoje tos pačios masės kūnui, tačiau šalia jo gravitacija tampa daug stipresnė, nei prognozuoja Niutono teorija.

Jei žvaigždę būtų galima stebėti pro teleskopą jos virsmo juodąja skyle momentu, tai iš pradžių būtų matyti, kaip žvaigždė vis greičiau susitraukia, tačiau jos paviršiui artėjant prie gravitacinio spindulio, suspaudimas sulėtės. žemyn, kol visiškai sustos. Tuo pačiu metu iš žvaigždės sklindanti šviesa susilpnės ir taps raudona, kol galiausiai užges. Taip yra todėl, kad įveikę gravitacijos jėgą fotonai praranda energiją ir jiems prireikia vis daugiau laiko, kad mus pasiektų. Kai žvaigždės paviršius pasieks gravitacinį spindulį, prireiks begalinio laiko, kol ją paliekanti šviesa pasieks bet kurį stebėtoją, net esantį gana arti žvaigždės (ir tai darydami fotonai visiškai praras savo energiją). Todėl niekada nelauksime šios akimirkos ir, be to, nematysime, kas vyksta su žvaigžde po įvykių horizontu, tačiau teoriškai šį procesą galima ištirti.

Idealizuoto sferinio griūties apskaičiavimas rodo, kad per trumpą laiką materija po įvykių horizontu suspaudžiama iki taško, kuriame pasiekiamos be galo didelės tankio ir gravitacijos vertės. Toks taškas vadinamas „singuliarumu“. Be to, matematinė analizė rodo, kad jei atsirado įvykių horizontas, net ir nesferinis griūtis sukelia singuliarumą. Tačiau visa tai tiesa tik tuo atveju, jei bendroji reliatyvumo teorija taikoma iki labai mažų erdvinių mastelių, o tai dar nėra aišku. Mikrokosme veikia kvantiniai dėsniai, o kvantinė gravitacijos teorija dar nesukurta. Akivaizdu, kad kvantiniai efektai negali sustabdyti žvaigždės subyrėjimo į juodąją skylę, tačiau jie gali užkirsti kelią singuliarumo atsiradimui.

Nagrinėdami pagrindines materijos ir erdvės-laiko savybes, fizikai juodųjų skylių tyrimą laiko viena iš svarbiausių sričių, nes šalia juodųjų skylių atsiranda paslėptos gravitacijos savybės. Dėl materijos ir spinduliuotės elgsenos silpnuose gravitaciniuose laukuose skirtingos gravitacijos teorijos pateikia beveik neišsiskiriančias prognozes, tačiau juodosioms skylėms būdinguose stipriuose laukuose įvairių teorijų prognozės labai skiriasi, o tai suteikia raktą identifikuoti geriausią iš jų. Šiuo metu populiariausios gravitacijos teorijos – Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos – rėmuose juodųjų skylių savybės buvo ištirtos labai išsamiai. Štai keletas svarbiausių:

1) Prie juodosios skylės laikas teka lėčiau nei toli nuo jos. Jei toli esantis stebėtojas nusviečia uždegtą žibintą juodosios skylės link, jis matys, kaip žibintas kris vis greičiau ir greičiau, bet tada, artėdamas prie Schwarzschild paviršiaus, jis pradės lėtėti, o jo šviesa priblės ir paraus (nuo visų jo atomų ir molekulių virpesių greitis). Žiūrint iš tolimo stebėtojo taško, žibintas praktiškai sustos ir taps nematomas, neskirs juodosios skylės paviršiaus. Bet jei pats stebėtojas nušoktų ten kartu su žibintu, tada per trumpą laiką jis kirstų Schwarzschild paviršių ir nukristų į juodosios skylės centrą, o jį suplėšytų galingos potvynio gravitacinės jėgos, atsirandančios dėl traukos skirtumo. skirtingi atstumai nuo centro.

2) Kad ir koks sudėtingas būtų pradinis kūnas, po to, kai jis buvo suspaustas į juodąją skylę, išorinis stebėtojas gali nustatyti tik tris jo parametrus: bendrą masę, kampinį momentą (susijusią su sukimu) ir elektros krūvį. Visi kiti kūno bruožai (forma, tankio pasiskirstymas, cheminė sudėtis ir kt.) „ištrinami“ griūties metu. Kad pašaliniam stebėtojui juodosios skylės struktūra atrodo itin paprasta, Johnas Wheeleris juokaudamas pasakė: „Juodoji skylė neturi plaukų“.

Žvaigždei griūvant į juodąją skylę per nedidelę sekundės dalį (pagal tolimo stebėtojo laikrodį), visi jos išoriniai bruožai, susiję su pradiniu nehomogeniškumu, išspinduliuojami gravitacinių ir elektromagnetinių bangų pavidalu. Susidariusi stacionari juodoji skylė „pamiršta“ visą informaciją apie pirminę žvaigždę, išskyrus tris dydžius: bendrą masę, kampinį momentą (susijusią su sukimu) ir elektros krūvį. Tiriant juodąją skylę nebegalima žinoti, ar pirminė žvaigždė susidėjo iš materijos, ar iš antimedžiagos, ar ji buvo pailgėjusi, ar suplota ir pan. Realiomis astrofizinėmis sąlygomis įkrauta juodoji skylė iš tarpžvaigždinės terpės pritrauks priešingo ženklo daleles, o jos krūvis greitai taps nulinis. Likęs stacionarus objektas bus arba nesisukanti „Schwarzschild juodoji skylė“, kuriai būdinga tik masė, arba besisukanti „Kerro juodoji skylė“, kuriai būdinga masė ir kampinis momentas.

3) Jei pradinis kūnas sukasi, aplink juodąją skylę išsaugomas „sūkurinis“ gravitacinis laukas, įtraukiantis visus gretimus kūnus į sukamasis judesys aplink ją. Besisukančios juodosios skylės gravitacinis laukas vadinamas Kero lauku (matematikas Roy'us Kerras 1963 m. rado atitinkamų lygčių sprendimą). Šis efektas būdingas ne tik juodajai skylei, bet ir bet kuriam besisukančiam kūnui, net ir Žemei. Dėl šios priežasties paskelbta dirbtinis palydovas Laisvai besisukantis Žemės giroskopas patiria lėtą precesiją, palyginti su tolimomis žvaigždėmis. Prie Žemės šis efektas vos juntamas, tačiau prie juodosios skylės jis daug ryškesnis: giroskopo precesijos greičiu galima išmatuoti juodosios skylės kampinį momentą, nors jo paties nesimato.

Kuo arčiau juodosios skylės horizonto, tuo stipresnis tampa „sūkurio lauko“ tempimo efektas. Prieš pasiekdami horizontą, būsime paviršiuje, kur pasipriešinimas tampa toks stiprus, kad nė vienas stebėtojas negali likti nejudantis (t. y. būti „statiškas“) tolimų žvaigždžių atžvilgiu. Ant šio paviršiaus ir jo viduje (vadinamo statine riba) visi objektai turi skrieti aplink juodąją skylę ta pačia kryptimi kaip ir pati skylė. Kad ir kokią galią išvystytų jo reaktyviniai varikliai, statinės ribos viduje esantis stebėtojas niekada negali sustabdyti savo sukimosi judėjimo tolimų žvaigždžių atžvilgiu.

Statinė riba yra visur už horizonto ir paliečia ją tik dviejuose taškuose, kur jie abu susikerta su juodosios skylės sukimosi ašimi. Erdvės laiko sritis, esanti tarp horizonto ir statiškumo ribos, vadinama ergosfera. Į ergosferą patekęs objektas dar gali išsiveržti. Todėl nors juodoji skylė „suvalgo viską ir nepaleidžia“, vis dėlto energijos mainai tarp jos ir kosmoso yra įmanoma. Pavyzdžiui, per ergosferą skrendančios dalelės ar kvantai gali nunešti jos sukimosi energiją.

4) Visa materija, esanti juodosios skylės įvykių horizonte, būtinai patenka į jos centrą ir sudaro be galo didelio tankio singuliarumą. Anglų fizikas Stephenas Hawkingas singuliarumą apibrėžia kaip „vietą, kur žlunga klasikinė erdvės ir laiko samprata, taip pat visi žinomi fizikos dėsniai, nes jie visi suformuluoti remiantis klasikiniu erdvėlaikiu“.

5) Be to, S. Hawkingas atrado labai lėto spontaninio juodųjų skylių kvantinio „išgaravimo“ galimybę. 1974 metais jis įrodė, kad juodosios skylės (ne tik besisukančios, bet bet kokios) gali skleisti medžiagą ir spinduliuotę, tačiau tai bus pastebima tik tuo atveju, jei pačios skylės masė bus palyginti maža. Galingas gravitacinis laukas šalia juodosios skylės turėtų sudaryti dalelių ir antidalelių poras. Vieną iš kiekvienos poros dalelių sugeria skylė, o antroji išmetama į lauką. Pavyzdžiui, 10 12 kg masės juodoji skylė turėtų elgtis kaip 10 11 K temperatūros kūnas, skleisti labai kietus gama spindulius ir daleles. Juodųjų skylių „išgaravimo“ idėja visiškai prieštarauja klasikinei idėjai apie jas kaip apie kūnus, negalinčius spinduliuoti.

4. Ieškokite juodųjų skylių

Skaičiavimai bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose rodo tik juodųjų skylių egzistavimo galimybę, bet jokiu būdu neįrodo jų buvimo realiame pasaulyje, juodosios skylės atradimas būtų svarbus žingsnis fizikos raidoje. Ieškoti izoliuotų juodųjų skylių erdvėje yra neįtikėtinai sudėtinga: kosminio juodumo fone reikia pastebėti mažą tamsų objektą. Tačiau yra vilties aptikti juodąją skylę pagal jos sąveiką su aplinkiniais astronominiais kūnais, pagal būdingą įtaką jiems.

Atsižvelgdami į svarbiausias juodųjų skylių savybes (masyvumą, kompaktiškumą ir nematomumą), astronomai pamažu kūrė jų paieškos strategiją. Lengviausias būdas aptikti juodąją skylę yra gravitacinė sąveika su supančia medžiaga, pavyzdžiui, su netoliese esančiomis žvaigždėmis. Bandymai aptikti nematomus masyvius dvinarių žvaigždžių palydovus nebuvo sėkmingi. Tačiau paleidus į orbitą rentgeno teleskopus, paaiškėjo, kad juodosios skylės aktyviai pasireiškia artimose dvejetainėse sistemose, kur jos paima materiją iš kaimyninės žvaigždės ir ją sugeria, įkaitindamos iki milijonų laipsnių temperatūros ir paversdamos šaltiniu. rentgeno spinduliuotės poveikis trumpam.

Kadangi dvejetainėje sistemoje juodoji skylė, suporuota su normalia žvaigžde, sukasi aplink bendrą masės centrą, tai naudojant Doplerio efektą, galima išmatuoti žvaigždės greitį ir nustatyti jos nematomo palydovo masę. Astronomai jau yra nustatę dešimtis dvejetainių sistemų, kuriose nematomo palydovo masė viršija 3 Saulės mases ir pastebimos būdingos medžiagos, judančios aplink kompaktišką objektą, aktyvumo apraiškos, pavyzdžiui, labai greiti greitai besisukančių karštų dujų srautų ryškumo svyravimai. aplink nematomą kūną.

Ypač daug žadanti yra rentgeno dvinarė žvaigždė V404 Cygnus, kurios nematomo komponento masė vertinama ne mažiau kaip 6 Saulės masės. Kiti juodosios skylės kandidatai yra dvejetainėse sistemose Cygnus X-1, LMC X-3, V616 Unicorn, QZ Chanterelles, taip pat rentgeno naujovėse Ophiuchus 1977, Fly 1981 ir Scorpio 1994. Beveik visos jos yra išsidėsčiusios mūsų galaktikoje, o sistema LMC X-3 yra netoli mūsų esančioje Didžiojo Magelano debesies galaktikoje.

Kita juodųjų skylių paieškos kryptis – galaktikų branduolių tyrimai. Juose kaupiasi ir kondensuojasi didžiulės medžiagos masės, susiduria ir susilieja žvaigždės, todėl jose gali susidaryti supermasyvios juodosios skylės, milijonus kartų viršijančios Saulės masę. Jie pritraukia aplinkines žvaigždes, sukurdami ryškumo viršūnę galaktikos centre. Jie naikina šalia jų skraidančias žvaigždes, kurių medžiaga sudaro akrecinį diską aplink juodąją skylę ir dalinai išsviedžiama išilgai disko ašies greitų čiurkšlių ir dalelių srautų pavidalu. Tai ne spekuliacinė teorija, o procesai, kurie iš tikrųjų stebimi kai kurių galaktikų branduoliuose ir rodo, kad juose yra juodųjų skylių, kurių masė siekia kelis milijardus Saulės masių. AT paskutiniais laikais buvo gauta labai įtikinamų įrodymų, kad mūsų Galaktikos centre yra juodoji skylė, kurios masė siekia apie 2,5 milijono Saulės masių.

Tikėtina, kad galingiausi energijos išsiskyrimo procesai Visatoje vyksta dalyvaujant juodosioms skylėms. Jie laikomi kvazarų – jaunų masyvių galaktikų – branduolių aktyvumo šaltiniu. Būtent jų gimimas, anot astrofizikų, pažymėtas galingiausiais Visatoje sprogimais, pasireiškiančiais gama spindulių pliūpsniais.

5. Juodųjų skylių termodinamika ir garavimas

Juodosios skylės, kaip absoliučiai sugeriančio objekto, sampratą S. Hawkingas pataisė 1975 m. Tyrinėdamas kvantinių laukų elgesį šalia juodosios skylės, jis numatė, kad juodoji skylė būtinai išspinduos daleles į kosmosą ir taip praras masę. Šis efektas vadinamas Hokingo spinduliuote (garavimu). Paprasčiau tariant, gravitacinis laukas poliarizuoja vakuumą, ko pasekoje galimas ne tik virtualių, bet ir realių dalelių-antidalelių porų susidarymas. Viena iš dalelių, kuri pasirodė esanti tiesiai po įvykių horizontu, patenka į juodąją skylę, o kita, kuri pasirodė esanti tiesiai virš horizonto, nuskrenda, atimdama energiją (ty dalį masė) juodosios skylės. Juodosios skylės spinduliuotės galia yra

Spinduliuotės sudėtis priklauso nuo juodosios skylės dydžio: didelėms juodosioms skylėms tai daugiausia fotonai ir neutrinai, o lengvųjų juodųjų skylių spektre pradeda atsirasti sunkiųjų dalelių. Paaiškėjo, kad Hawkingo spinduliuotės spektras bemasiams laukams griežtai sutapo su absoliučiai juodo kūno spinduliuote, todėl juodajai skylei buvo galima priskirti temperatūrą.

,

kur redukuotoji Planko konstanta, c – šviesos greitis, k – Boltzmanno konstanta, G – gravitacinė konstanta, M – juodosios skylės masė.

Tuo remiantis buvo sukurta juodųjų skylių termodinamika, įskaitant pagrindinę juodosios skylės entropijos koncepciją, kuri pasirodė proporcinga jos įvykių horizonto sričiai:

kur A yra įvykio horizonto sritis.

Juodosios skylės garavimo greitis yra didesnis, tuo mažesnis jos dydis. Žvaigždžių (ir ypač galaktikos) skalių juodųjų skylių išgarinimo galima nepaisyti, tačiau pirminėse ir ypač kvantinėse juodosiose skylėse garavimo procesai tampa pagrindiniais.

Dėl išgaravimo visos juodosios skylės praranda masę ir jų gyvavimo laikas yra baigtinis:

.

Tuo pačiu metu garavimo intensyvumas didėja kaip lavina, ir Galutinis etapas evoliucija turi sprogimo pobūdį, pavyzdžiui, 1000 tonų sverianti juodoji skylė išgaruos maždaug per 84 sekundes, išskirdama energiją, lygią maždaug dešimčiai milijonų vidutinės galios atominių bombų sprogimui.

Tuo pačiu metu didelės juodosios skylės, kurių temperatūra yra žemesnė už Visatos kosminės foninės spinduliuotės temperatūrą (2,7 K), gali augti tik dabartiniame Visatos vystymosi etape, nes jų skleidžiama spinduliuotė turi mažiau energijos. nei sugertos spinduliuotės. Šis procesas truks tol, kol kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės fotonų dujos atvės dėl Visatos plėtimosi.

Be kvantinės gravitacijos teorijos neįmanoma apibūdinti paskutinės garavimo stadijos, kai juodosios skylės tampa mikroskopinės (kvantinės). Remiantis kai kuriomis teorijomis, po išgaravimo turėtų atsirasti „pelenas“ – minimali Plancko juodoji skylė.

6. Įkritimas į juodąją skylę

Įsivaizduokite, kaip turėtų atrodyti patekimas į Schwarzschild juodąją skylę. Kūnas, laisvai krintantis veikiamas gravitacinių jėgų, yra nesvarumo būsenoje. Krintantis kūnas patirs potvynio jėgų, kurios ištempia kūną radialine kryptimi ir suspaudžia tangentine kryptimi, veikimą. Šių jėgų dydis auga ir linkęs į begalybę ties . Tam tikru momentu tinkamu laiku kūnas peržengs įvykių horizontą. Žvelgiant su kūnu krintančio stebėtojo požiūriu, šis momentas niekuo neišsiskiria, bet dabar nebėra sugrįžimo. Kūnas patenka į kaklą (jo spindulys toje vietoje, kur kūnas yra ), kuris susitraukia taip greitai, kad iš jo nebeįmanoma išskristi iki galutinio griūties momento (tai yra singuliarumas), net juda šviesos greičiu.

Dabar panagrinėkime kūno įkritimo į juodąją skylę procesą tolimo stebėtojo požiūriu. Pavyzdžiui, tegul kūnas šviečia ir, be to, siunčia signalus atgal tam tikru dažniu. Iš pradžių nuotolinis stebėtojas pamatys, kad kūnas, būdamas laisvo kritimo procese, veikiamas gravitacijos pamažu įsibėgėja link centro. Kūno spalva nesikeičia, aptinkamų signalų dažnis beveik pastovus. Tačiau kūnui artėjant prie įvykių horizonto, iš kūno ateinantys fotonai patirs vis didesnį gravitacinį raudonąjį poslinkį. Be to, dėl gravitacinio lauko visi fiziniai procesai tolimo stebėtojo požiūriu vyks lėčiau ir lėčiau nei gravitacinis laiko išsiplėtimas: laikrodis, užfiksuotas radialinėje koordinatėje r be sukimosi () eis lėčiau nei be galo nutolęs. in kartą. Atrodys, kad kūnas – itin suplokštoje formoje – priartės prie įvykių horizonto ir galiausiai sustos. Signalo dažnis smarkiai sumažės. Kūno skleidžiamos šviesos bangos ilgis sparčiai augs, todėl šviesa greitai pavirs radijo bangomis, o po to – žemo dažnio elektromagnetiniais virpesiais, kurių fiksuoti nebebus įmanoma. Stebėtojas niekada nepamatys kūno, kertančio įvykių horizontą, ir šia prasme kritimas į juodąją skylę truks neribotą laiką. Tačiau yra momentas, nuo kurio tolimas stebėtojas nebegalės paveikti krentančio kūno. Po šio kūno siunčiamas šviesos spindulys arba niekada jo nepasivys, arba pasivys jau už horizonto. Be to, atstumas tarp kūno ir įvykių horizonto, taip pat suploto (iš išorės stebėtojo požiūriu) kūno „storis“ greitai pasieks Plancko ilgį ir (matematiniu požiūriu) ) toliau mažės. Tikram fiziniam stebėtojui (pirmaujantis matavimas su Plancko paklaida) tai prilygsta faktui, kad juodosios skylės masė padidės krintančio kūno mase, o tai reiškia, kad įvykio horizonto spindulys padidės ir krintantis kūnas per ribotą laiką atsidurs įvykių horizonto „viduje“.

Gravitacinio žlugimo procesas tolimam stebėtojui atrodys panašiai. Iš pradžių materija veržiasi link centro, tačiau netoli įvykių horizonto pradės smarkiai lėtėti, jos spinduliuotė pateks į radijo diapazoną ir dėl to tolimas stebėtojas pamatys, kad žvaigždė užgeso.

7. Juodųjų skylių tipai

A) supermasyvios juodosios skylės

Išsiplėtusios labai masyvios juodosios skylės, remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, sudaro daugumos galaktikų šerdį. Tai apima didžiulę juodąją skylę mūsų galaktikos šerdyje – Šaulys A*.

Šiuo metu žvaigždžių ir galaktikos mastelių juodųjų skylių egzistavimą dauguma mokslininkų laiko patikimai įrodytais astronominiais stebėjimais.

Amerikos astronomai išsiaiškino, kad supermasyvių juodųjų skylių masė gali būti gerokai neįvertinta. Tyrėjai išsiaiškino, kad tam, kad žvaigždės galėtų judėti M87 galaktikoje (kuri yra 50 mln. šviesmečių atstumu nuo Žemės), kaip dabar stebima, centrinės juodosios skylės masė turi būti bent 6,4 mlrd. masių, ty dvigubai daugiau nei dabartinis M87 branduolio įvertinimas, kuris yra 3 milijardai saulės masių.

B) Pirminės juodosios skylės

Pirminės juodosios skylės šiuo metu turi hipotezės statusą. Jei pradiniais Visatos gyvavimo momentais buvo pakankamai nukrypimų nuo gravitacinio lauko homogeniškumo ir materijos tankio, tai iš jų griūties būdu galėtų susidaryti juodosios skylės. Tuo pačiu metu jų masė nėra ribojama iš apačios, kaip ir žvaigždžių griūties – jų masė tikriausiai galėtų būti gana maža. Pirminių juodųjų skylių aptikimas yra ypač svarbus, atsižvelgiant į galimybę ištirti juodųjų skylių garavimo reiškinį.

C) kvantinės juodosios skylės

Daroma prielaida, kad stabilios mikroskopinės juodosios skylės, vadinamosios kvantinės juodosios skylės, gali atsirasti dėl branduolinių reakcijų. Norint matematiškai apibūdinti tokius objektus, reikalinga kvantinė gravitacijos teorija. Tačiau iš bendrų svarstymų labai tikėtina, kad juodųjų skylių masės spektras yra atskiras ir yra minimali juodoji skylė – Plancko juodoji skylė. Jos masė apie 10 −5 g, spindulys 10 −35 m. Planko juodosios skylės Komptono bangos ilgis pagal dydį lygus gravitaciniam spinduliui.

Išvada

Taigi visus „elementarius objektus“ galima suskirstyti į elementarias daleles (jų bangos ilgis didesnis už gravitacinį spindulį) ir juodąsias skyles (bangos ilgis mažesnis už gravitacinį spindulį). Plancko juodoji skylė yra ribinis objektas, jai galima rasti maksimono pavadinimą, nurodantį, kad ji yra sunkiausia iš galimų elementariųjų dalelių. Kitas terminas, kartais vartojamas tai reiškia, yra plankeonas.

Net jei egzistuoja kvantinės juodosios skylės, jų gyvavimo laikas yra labai trumpas, todėl jų tiesioginis aptikimas yra labai problemiškas.

Neseniai buvo pasiūlyta atlikti eksperimentus, siekiant rasti įrodymų, kad branduolinėse reakcijose atsiranda juodųjų skylių. Tačiau tiesioginei juodosios skylės sintezei greitintuve reikalinga 10 26 eV energija, kuri šiandien nepasiekiama. Matyt, virtualios tarpinės juodosios skylės gali atsirasti itin didelės energijos reakcijose.

Bibliografija

1. Karpenkovas S.Kh. Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos, M, Vyš. mokykla 2003 m

2. http://nrc.edu.ru/est/pos/24.html

3. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/astronomiya/CHERNAYA_DIRA.html

« Mokslinė fantastika gali būti naudinga – ji skatina vaizduotę ir pašalina baimę dėl ateities. Tačiau moksliniai faktai gali būti daug įspūdingesni. Mokslinė fantastika net neįsivaizdavo tokių dalykų kaip juodosios skylės.»
Stephenas Hawkingas

Visatos gelmėse žmogui glūdi begalė paslapčių ir paslapčių. Viena iš jų yra juodosios skylės – objektai, kurių negali suprasti net didžiausi žmonijos protai. Šimtai astrofizikų bando atrasti juodųjų skylių prigimtį, tačiau šiuo metu mes net neįrodėme jų egzistavimo praktiškai.

Kino režisieriai jiems skiria savo filmus, o tarp paprastų žmonių juodosios skylės tapo tokiu kultiniu reiškiniu, kad jos tapatinamos su pasaulio pabaiga ir neišvengiamai mirtimi. Jų bijoma ir nekenčiama, bet tuo pat metu jie yra dievinami ir nusilenkia prieš nežinomybę, kuri yra kupina šių keistų Visatos fragmentų. Sutikite, būti, kad jus praryja juodoji skylė, yra tokia romantika. Su jų pagalba tai įmanoma, jie taip pat gali tapti mūsų vedliais.

Geltonoji spauda dažnai spėlioja apie juodųjų skylių populiarumą. Rasti laikraščių antraštes, susijusias su pasaulio pabaiga planetoje dėl dar vieno susidūrimo su supermasyvia juodąja skyle – ne problema. Daug blogiau yra tai, kad neraštinga gyventojų dalis į viską žiūri rimtai ir kelia tikrą paniką. Norėdami įnešti aiškumo, leisimės į kelionę po juodųjų skylių atradimo ištakas ir bandysime suprasti, kas tai yra ir kaip su tuo susieti.

nematomos žvaigždės

Taip atsitiko, kad šiuolaikiniai fizikai mūsų Visatos sandarą aprašo pasitelkę reliatyvumo teoriją, kurią Einšteinas XX amžiaus pradžioje rūpestingai pateikė žmonijai. Juo labiau paslaptingos yra juodosios skylės, kurių įvykių horizonte nustoja veikti visi mums žinomi fizikos dėsniai, įskaitant Einšteino teoriją. Argi ne nuostabu? Be to, spėlionės apie juodųjų skylių egzistavimą buvo išsakytos dar gerokai prieš paties Einšteino gimimą.

1783 metais Anglijoje smarkiai išaugo mokslinė veikla. Tais laikais mokslas ėjo greta religijos, jie puikiai sutarė, mokslininkai nebebuvo laikomi eretikais. Be to, kunigai užsiėmė moksliniais tyrimais. Vienas iš šių Dievo tarnų buvo anglų pastorius Džonas Mišelis, kuris kėlė sau ne tik gyvenimo klausimus, bet ir gana mokslines užduotis. Michell buvo labai tituluotas mokslininkas: iš pradžių jis buvo matematikos ir senovės kalbotyros dėstytojas vienoje iš kolegijų, o po to buvo priimtas į Londono karališkąją draugiją dėl daugybės atradimų.

Johnas Michellas užsiėmė seismologija, bet laisvalaikiu mėgo galvoti apie amžinybę ir kosmosą. Taip jam kilo mintis, kad kažkur Visatos gelmėse gali egzistuoti supermasyvūs kūnai su tokia galinga gravitacija, kad norint įveikti tokio kūno gravitacijos jėgą, reikia judėti greičiu, lygiu arba didesnis už šviesos greitį. Jei tokią teoriją priimsime kaip teisingą, tai net šviesa nepajėgs išvystyti antrojo kosminio greičio (greičio, būtino išeinančio kūno gravitacinei traukai įveikti), todėl toks kūnas plika akimi liks nematomas.

Michellas savo naują teoriją pavadino „tamsiosiomis žvaigždėmis“, o kartu bandė apskaičiuoti tokių objektų masę. Jis išsakė savo mintis šiuo klausimu atviras laiškas Londono karališkoji draugija. Deja, tais laikais tokie tyrimai nebuvo ypač vertingi mokslui, todėl Michell laiškas buvo išsiųstas į archyvą. Tik po dviejų šimtų metų, XX amžiaus antroje pusėje, jis buvo rastas tarp tūkstančių kitų senovinėje bibliotekoje kruopščiai saugomų įrašų.

Pirmieji moksliniai įrodymai apie juodųjų skylių egzistavimą

Išleidę Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją, matematikai ir fizikai rimtai ėmėsi spręsti vokiečių mokslininko pateiktas lygtis, kurios turėjo daug pasakyti apie Visatos sandarą. Vokiečių astronomas, fizikas Karlas Schwarzschildas nusprendė padaryti tą patį 1916 m.

Mokslininkas, naudodamasis savo skaičiavimais, padarė išvadą, kad juodųjų skylių egzistavimas yra įmanomas. Jis taip pat pirmasis apibūdino tai, kas vėliau buvo pavadinta romantiška fraze „įvykių horizontas“ – įsivaizduojamą erdvės-laiko ribą prie juodosios skylės, kurią perėjus ateina taškas, iš kurio nebegrįžtama. Iš įvykių horizonto niekas nepabėga, net šviesa. Už įvykių horizonto atsiranda vadinamasis „singuliarumas“, kai nustoja galioti mums žinomi fizikos dėsniai.

Toliau plėtodamas savo teoriją ir spręsdamas lygtis, Schwarzschildas atrado naujų juodųjų skylių paslapčių sau ir pasauliui. Taigi, jis sugebėjo vien popieriuje apskaičiuoti atstumą nuo juodosios skylės centro, kuriame sutelkta jos masė, iki įvykių horizonto. Schwarzschildas šį atstumą pavadino gravitaciniu spinduliu.

Nepaisant to, kad matematiškai Schwarzschildo sprendimai buvo išskirtinai teisingi ir negalėjo būti paneigti, XX amžiaus pradžios mokslo bendruomenė negalėjo iš karto susitaikyti su tokiu šokiruojančiu atradimu, o juodųjų skylių egzistavimas buvo nurašytas kaip fantazija, kuri retkarčiais pasireiškė reliatyvumo teorijoje. Kitus penkiolika metų kosmoso tyrimas juodųjų skylių buvimui buvo lėtas ir tuo užsiėmė tik keli vokiečių fiziko teorijos šalininkai.

Žvaigždės, kurios gimdo tamsą

Išskaidžius Einšteino lygtis, atėjo laikas panaudoti padarytas išvadas, kad suprastų Visatos struktūrą. Visų pirma, žvaigždžių evoliucijos teorijoje. Ne paslaptis, kad mūsų pasaulyje nieko nėra amžino. Net žvaigždės turi savo gyvenimo ciklą, nors ir ilgesnį nei žmogus.

Vienas pirmųjų mokslininkų, rimtai susidomėjusių žvaigždžių evoliucija, buvo jaunas astrofizikas Subramanjanas Čandrasekharas, kilęs iš Indijos. 1930 metais jis paskelbė mokslinį darbą, kuriame aprašė tariamą vidinė struktūražvaigždės ir jų gyvavimo ciklai.

Jau XX amžiaus pradžioje mokslininkai spėliojo apie tokį reiškinį kaip gravitacinis susitraukimas (gravitacinis kolapsas). Tam tikru savo gyvenimo momentu žvaigždė, veikiama gravitacinių jėgų, pradeda trauktis didžiuliu greičiu. Paprastai tai atsitinka žvaigždės mirties metu, tačiau gravitacinio kolapso atveju yra keletas būdų tolesnis egzistavimas karštas kamuolys.

Chandrasekharo vadovas Ralphas Fowleris, savo laiku gerbiamas fizikas teoretikas, pasiūlė, kad gravitacinio kolapso metu bet kuri žvaigždė virsta mažesne ir karštesne – balta nykštuke. Bet paaiškėjo, kad mokinys „sulaužė“ mokytojo teoriją, kuria praėjusio amžiaus pradžioje dalijosi dauguma fizikų. Remiantis jauno induisto darbu, žvaigždės mirtis priklauso nuo jos pradinės masės. Pavyzdžiui, baltosiomis nykštukėmis gali tapti tik tos žvaigždės, kurių masė neviršija 1,44 Saulės masės. Šis skaičius buvo vadinamas Chandrasekhar limitu. Jei žvaigždės masė viršijo šią ribą, ji miršta visiškai kitaip. Tam tikromis sąlygomis tokia žvaigždė mirties momentu gali atgimti į naują, neutroninę žvaigždę – tai dar viena šiuolaikinės Visatos paslaptis. Kita vertus, reliatyvumo teorija nurodo dar vieną variantą – žvaigždės suspaudimą iki itin mažų reikšmių, ir čia prasideda įdomiausias.

Viename 1932 m mokslo žurnalai pasirodo straipsnis, kuriame genialus SSRS fizikas Levas Landau pasiūlė, kad griūties metu supermasyvi žvaigždė suspausta į tašką, kurio spindulys ir begalinė masė. Nepaisant to, kad tokį įvykį labai sunku įsivaizduoti nepasiruošusio žmogaus požiūriu, Landau nebuvo toli nuo tiesos. Fizikas taip pat pasiūlė, kad, remiantis reliatyvumo teorija, gravitacija tokiame taške būtų tokia didelė, kad pradėtų iškreipti erdvėlaikį.

Astrofizikams Landau teorija patiko ir jie toliau ją plėtojo. 1939 m. Amerikoje dviejų fizikų – Roberto Oppenheimerio ir Hartlando Sneijderio – pastangomis pasirodė teorija, detaliai aprašanti supermasyvią žvaigždę žlugimo metu. Dėl tokio įvykio turėjo atsirasti tikra juodoji skylė. Nepaisant argumentų įtikinamumo, mokslininkai ir toliau neigė tokių kūnų egzistavimo galimybę, taip pat žvaigždžių virsmą jais. Net Einšteinas atsiribojo nuo šios idėjos, manydamas, kad žvaigždė nėra pajėgi tokioms fenomenalioms transformacijoms. Kiti fizikai savo pareiškimuose nebuvo šykštūs, vadindami tokių įvykių galimybę juokinga.
Tačiau mokslas visada pasiekia tiesą, tereikia šiek tiek palaukti. Taip ir atsitiko.

Ryškiausi objektai visatoje

Mūsų pasaulis yra paradoksų rinkinys. Kartais jame sugyvena dalykai, kurių sambūvis prieštarauja bet kokiai logikai. Pavyzdžiui, terminas „juodoji skylė“ nebus siejamas su normalus žmogus su posakiu „neįtikėtinai ryškus“, tačiau praėjusio amžiaus 60-ųjų pradžios atradimas leido mokslininkams šį teiginį laikyti neteisingu.

Teleskopų pagalba astrofizikams žvaigždėtame danguje pavyko aptikti iki šiol nežinomus objektus, kurie elgėsi gana keistai, nepaisant to, kad atrodė kaip paprastos žvaigždės. Tyrinėdamas šiuos keistus šviesulius, amerikiečių mokslininkas Martinas Schmidtas atkreipė dėmesį į jų spektrografiją, kurios duomenys rodė skirtingus rezultatus nei skenuojant kitas žvaigždes. Paprasčiau tariant, šios žvaigždės nebuvo tokios, kaip kitos, prie kurių esame įpratę.

Staiga tai išaušo Schmidtas ir jis atkreipė dėmesį į spektro poslinkį raudonajame diapazone. Paaiškėjo, kad šie objektai yra daug toliau nuo mūsų nei žvaigždės, kurias esame įpratę matyti danguje. Pavyzdžiui, Schmidto pastebėtas objektas buvo už pustrečio milijardo šviesmečių nuo mūsų planetos, bet švietė taip ryškiai kaip žvaigždė už kelių šimtų šviesmečių. Pasirodo, vieno tokio objekto šviesa prilygsta visos galaktikos ryškumui. Šis atradimas buvo tikras proveržis astrofizikoje. Šiuos objektus mokslininkas pavadino „kvazižvaigždiniais“ arba tiesiog „kvazarais“.

Martinas Schmidtas toliau tyrinėjo naujus objektus ir išsiaiškino, kad tokį ryškų švytėjimą gali sukelti tik viena priežastis – akrecija. Akrecija yra procesas, kurį supančias medžiagas sugeria supermasyvus kūnas gravitacijos pagalba. Mokslininkas priėjo prie išvados, kad kvazarų centre yra didžiulė juodoji skylė, kuri su neįtikėtina jėga įtraukia į save ją supančią materiją erdvėje. Skylės absorbcijos procese dalelės įsibėgėja iki didžiulio greičio ir pradeda švytėti. Savotiškas šviečiantis kupolas aplink juodąją skylę vadinamas akreciniu disku. Jo vizualizaciją puikiai pademonstravo Christopherio Nolano filmas „Tarpžvaigždinis“, kuris sukėlė daug klausimų „kaip gali švytėti juodoji skylė?“.

Iki šiol mokslininkai žvaigždėtame danguje rado tūkstančius kvazarų. Šie keisti, neįtikėtinai ryškūs objektai vadinami visatos švyturiais. Jie leidžia mums šiek tiek geriau įsivaizduoti kosmoso struktūrą ir priartėti prie momento, nuo kurio viskas prasidėjo.

Nepaisant to, kad astrofizikai jau daugelį metų gaudavo netiesioginių įrodymų apie supermasyvių nematomų objektų egzistavimą Visatoje, terminas „juodoji skylė“ egzistavo tik 1967 m. Kad išvengtų sudėtingų pavadinimų, amerikiečių fizikas Johnas Archibaldas Wheeleris pasiūlė tokius objektus vadinti „juodosiomis skylėmis“. Kodėl gi ne? Tam tikru mastu jie yra juodi, nes mes jų nematome. Be to, jie viską traukia, į juos galima įkristi, kaip į tikrą duobę. O ištrūkti iš tokios vietos pagal šiuolaikinius fizikos dėsnius tiesiog neįmanoma. Tačiau Stephenas Hawkingas tvirtina, kad keliaudamas per juodąją skylę gali patekti į kitą Visatą, kitą pasaulį, ir tai yra viltis.

Begalybės baimė

Dėl pernelyg didelio juodųjų skylių paslaptingumo ir romantizmo šie objektai tapo tikra siaubo istorija tarp žmonių. Geltonoji spauda mėgsta spėlioti apie gyventojų neraštingumą, skleidžia nuostabias istorijas apie tai, kaip mūsų Žemės link juda didžiulė juodoji skylė, kuri per kelias valandas praris Saulės sistemą arba tiesiog išskirs mūsų link nuodingų dujų bangas. planeta.

Ypač populiari tema apie planetos sunaikinimą naudojant Didįjį hadronų greitintuvą, kuris Europoje buvo pastatytas 2006 metais Europos branduolinių tyrimų tarybos (CERN) teritorijoje. Panikos banga prasidėjo kaip kažkieno kvailas pokštas, bet išaugo kaip sniego gniūžtė. Kažkas paskleidė gandą, kad greitintuvo dalelių greitintuve gali susidaryti juodoji skylė, kuri visiškai prarytų mūsų planetą. Žinoma, pasipiktinę žmonės ėmė reikalauti uždrausti eksperimentus LHC, bijodami tokios baigties. Į Europos teismą ėmė plūsti ieškiniai, reikalaujantys uždaryti greitintuvą, o jį sukūrusius mokslininkus nubausti iki galo įstatymais.

Tiesą sakant, fizikai neneigia, kad dalelėms susidūrus Didžiajame hadronų greitintuve gali atsirasti objektų, savo savybėmis panašių į juodąsias skyles, tačiau jų dydis yra elementariųjų dalelių dydžių lygyje ir tokios „skylės“ egzistuoja tokį trumpą laiką. kad negalime net užfiksuoti jų atsiradimo.

Vienas iš pagrindinių ekspertų, bandančių išsklaidyti neišmanymo bangą žmonių akivaizdoje, yra Stephenas Hawkingas – garsus fizikas teoretikas, kuris, be to, laikomas tikru juodųjų skylių „guru“. Hawkingas įrodė, kad juodosios skylės ne visada sugeria šviesą, atsirandančią akreciniuose diskuose, o dalis jos yra išsklaidyta erdvėje. Šis reiškinys buvo vadinamas Hawkingo spinduliuote arba juodosios skylės garavimu. Hokingas taip pat nustatė ryšį tarp juodosios skylės dydžio ir jos „išgaravimo“ greičio – kuo ji mažesnė, tuo mažiau ji egzistuoja laike. O tai reiškia, kad visi Didžiojo hadronų greitintuvo priešininkai neturėtų jaudintis: juodosios skylės jame negalės egzistuoti net milijoną sekundės dalių.

Teorija praktiškai neįrodyta

Deja, žmonijos technologijos šiame vystymosi etape neleidžia išbandyti daugumos astrofizikų ir kitų mokslininkų sukurtų teorijų. Viena vertus, juodųjų skylių egzistavimas gana įtikinamai įrodytas popieriuje ir išvestas naudojant formules, kuriose viskas susiliejo su kiekvienu kintamuoju. Kita vertus, praktiškai dar nespėjome savo akimis pamatyti tikros juodosios skylės.

Nepaisant visų nesutarimų, fizikai teigia, kad kiekvienos galaktikų centre yra supermasyvi juodoji skylė, kuri savo gravitacija surenka žvaigždes į spiečius ir verčia keliauti po Visatą su didele ir draugiška kompanija. Mūsų Paukščių Tako galaktikoje, įvairiais skaičiavimais, yra nuo 200 iki 400 milijardų žvaigždžių. Visos šios žvaigždės sukasi aplink kažką, kas turi didžiulę masę, apie tai, ko mes negalime pamatyti teleskopu. Greičiausiai tai juodoji skylė. Ar ji turėtų bijoti? – Ne, bent jau ne per artimiausius kelis milijardus metų, bet apie ją galime sukurti dar vieną įdomų filmą.

Juodųjų skylių istorija

Aleksejus Levinas

Mokslinis mąstymas kartais nekonstruoja objektų su tokiomis paradoksaliomis savybėmis, kad net įžvalgiausi mokslininkai iš pradžių atsisakytų juos atpažinti. Ryškiausias pavyzdys šiuolaikinės fizikos istorijoje – ilgalaikis nesidomėjimas juodosiomis skylėmis – prieš beveik 90 metų prognozuotomis ekstremaliomis gravitacinio lauko būsenomis. Ilgą laiką jie buvo laikomi grynai teorine abstrakcija ir tik septintajame ir aštuntajame dešimtmečiuose jie pradėjo patikėti jų tikrove. Tačiau pagrindinė juodųjų skylių teorijos lygtis buvo gauta daugiau nei prieš du šimtus metų.

Johno Michello įžvalga

fiziko, astronomo ir geologo, Kembridžo universiteto profesoriaus ir Anglijos bažnyčios pastoriaus Johno Michelio pavardė XVIII amžiuje visiškai nepelnytai pasiklydo tarp Anglijos mokslo žvaigždžių. Michellas padėjo seismologijos – žemės drebėjimų mokslo – pamatus, atliko puikų magnetizmo tyrimą ir dar gerokai anksčiau, nei Kulonui išrado sukimo balansą, kurį panaudojo gravimetriniams matavimams. 1783 m. jis bandė sujungti du puikius Niutono kūrinius – mechaniką ir optiką. Niutonas šviesą laikė mažų dalelių srautu. Michell pasiūlė, kad lengvieji korpusai, kaip ir įprasta medžiaga, paklustų mechanikos dėsniams. Šios hipotezės pasekmė pasirodė labai nebanali – dangaus kūnai gali virsti šviesos spąstais.

Kaip galvojo Michelis? Patrankos sviedinys, paleistas iš planetos paviršiaus, visiškai įveiks savo gravitaciją tik tuo atveju, jei jo pradinis greitis viršys dabar vadinamą antrosios erdvės greitį ir pabėgimo greitį. Jei planetos gravitacija tokia stipri, kad pabėgimo greitis viršija šviesos greitį, zenite šaudantys šviesos korpusai negali ištrūkti į begalybę. Tas pats nutiks ir su atspindėta šviesa. Todėl labai nutolusiam stebėtojui planeta bus nematoma. Michelis apskaičiavo kritinę tokios planetos spindulio reikšmę Rcr, priklausomai nuo jos masės M, sumažintos iki mūsų Saulės masės Ms: Rcr = 3 km x M/Ms.

Johnas Michellas patikėjo savo formulėmis ir manė, kad kosmoso gelmėse slypi daugybė žvaigždžių, kurių iš Žemės negalima pamatyti jokiu teleskopu. Vėliau didysis prancūzų matematikas, astronomas ir fizikas Pierre'as Simonas Laplasas priėjo prie tos pačios išvados ir įtraukė ją į pirmąjį (1796), ir į antrąjį (1799) savo Pasaulio sistemos ekspozicijos leidimą. Tačiau trečiasis leidimas buvo išleistas 1808 m., kai dauguma fizikų šviesą jau laikė eterio virpesiais. „Nematomų“ žvaigždžių egzistavimas prieštaravo šviesos bangų teorijai, todėl Laplasas manė, kad geriausia jų neminėti. Vėlesniais laikais ši idėja buvo laikoma įdomybe, verta eksponavimo tik fizikos istorijos darbuose.

Schwarzschild modelis

1915 m. lapkritį Albertas Einšteinas paskelbė gravitacijos teoriją, kurią pavadino bendrąja reliatyvumo teorija (GR). Šis kūrinys iškart susirado dėkingą skaitytoją – jo kolegą iš Berlyno mokslų akademijos Karlą Schwarzschildą. Būtent Schwarzschildas pirmasis pasaulyje pritaikė bendrąjį reliatyvumą, spręsdamas konkrečią astrofizinę problemą, apskaičiavo erdvės ir laiko metriką nesisukančio sferinio kūno išorėje ir viduje (dėl konkretumo vadinsime žvaigžde).

Iš Schwarzschildo skaičiavimų išplaukia, kad žvaigždės gravitacija labai neiškraipo Niutono erdvės ir laiko struktūros tik tuo atveju, jei jos spindulys yra daug didesnis už pačią vertę, kurią apskaičiavo Johnas Michellas! Šis parametras pirmą kartą buvo vadinamas Schwarzschild spinduliu, o dabar vadinamas gravitaciniu spinduliu. Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją gravitacija neturi įtakos šviesos greičiui, bet sumažina šviesos virpesių dažnį ta pačia proporcija, kuria lėtina laiką. Jei žvaigždės spindulys yra 4 kartus didesnis už gravitacinį spindulį, tai laiko tėkmė jos paviršiuje sulėtėja 15%, o erdvė įgauna pastebimą kreivumą. Esant dvigubam pertekliui, jis labiau lenkia, o laikas sulėtina jo važiavimą 41%. Pasiekus gravitacinį spindulį, laikas žvaigždės paviršiuje visiškai sustoja (visi dažniai pakeliami į nulį, spinduliavimas sustingsta, o žvaigždė užgęsta), tačiau erdvės kreivumas ten vis tiek yra baigtinis. Toli nuo saulės geometrija vis dar išlieka euklido, o laikas nekeičia savo greičio.

Nepaisant to, kad Michell ir Schwarzschild gravitacinio spindulio reikšmės yra vienodos, patys modeliai neturi nieko bendro. Michellui erdvė ir laikas nesikeičia, tačiau šviesa sulėtėja. Žvaigždė, kurios matmenys yra mažesni už gravitacinį spindulį, ir toliau šviečia, tačiau ją mato tik ne per tolimas stebėtojas. Schwarzschildui šviesos greitis yra absoliutus, tačiau erdvės ir laiko struktūra priklauso nuo gravitacijos. Žvaigždė, patekusi po gravitaciniu spinduliu, dingsta bet kuriam stebėtojui, kad ir kur jis būtų (tiksliau, ją galima aptikti gravitaciniais efektais, bet jokiu būdu ne spinduliuote).

Nuo netikėjimo iki tvirtinimo

Schwarzschildas ir jo amžininkai manė, kad tokių keistų kosminių objektų gamtoje nėra. Pats Einšteinas ne tik laikėsi šio požiūrio, bet ir klaidingai manė, kad jam pavyko matematiškai pagrįsti savo nuomonę.

1930-aisiais jaunas indų astrofizikas Chandrasekharas įrodė, kad branduolinį kurą išnaudojusi žvaigždė nusimeta savo apvalkalą ir virsta lėtai vėstančia balta nykštuke tik tada, kai jos masė yra mažesnė nei 1,4 Saulės masės. Netrukus amerikietis Fritzas Zwicky atspėjo, kad supernovos sprogimo metu atsiranda itin tankūs neutroninės medžiagos kūnai; Vėliau Levas Landau padarė tokią pačią išvadą. Po Chandrasekhar darbo buvo akivaizdu, kad tokią evoliuciją gali patirti tik žvaigždės, kurių masė didesnė nei 1,4 Saulės masės. Todėl iškilo natūralus klausimas – ar yra viršutinė supernovų masės riba, kurią palieka neutroninės žvaigždės?

Trečiojo dešimtmečio pabaigoje būsimasis amerikiečių atominės bombos tėvas Robertas Oppenheimeris nustatė, kad tokia riba tikrai egzistuoja ir neviršija kelių saulės masių. Tikslesnio įvertinimo tada nebuvo galima; dabar žinoma, kad neutroninių žvaigždžių masės turi būti 1,5–3 Ms intervale. Tačiau net iš apytikslių Oppenheimerio ir jo absolvento George'o Volkovo skaičiavimų išplaukė, kad masyviausi supernovų palikuonys netampa neutroninėmis žvaigždėmis, o pereina į kokią nors kitą būseną. 1939 m. Oppenheimeris ir Hartlandas Snyderis idealizuotu modeliu įrodė, kad didžiulė griūvanti žvaigždė susitraukia iki savo gravitacinio spindulio. Iš jų formulių iš tikrųjų išplaukia, kad žvaigždė tuo nesibaigia, tačiau bendraautoriai nuo tokios radikalios išvados susilaikė.

Galutinis atsakymas buvo rastas XX amžiaus antroje pusėje visos genialių teorinių fizikų galaktikos, įskaitant sovietų, pastangomis. Paaiškėjo, kad toks griūtis visada suspaudžia žvaigždę „iki sustojimo“, visiškai sunaikindama jos medžiagą. Dėl to atsiranda singuliarumas, gravitacinio lauko „superkoncentratas“, uždarytas be galo mažame tūryje. Fiksuotai skylei tai yra taškas, besisukančiai - žiedas. Erdvės-laiko kreivumas ir, atitinkamai, gravitacijos jėga, esanti šalia singuliarumo, yra linkusi į begalybę. 1967 metų pabaigoje amerikiečių fizikas Johnas Archibaldas Wheeleris pirmasis tokį galutinį žvaigždžių griūtį pavadino juodąja skyle. Naujasis terminas pamilo fizikus ir nudžiugino jį po pasaulį paskleidusius žurnalistus (nors prancūzams iš pradžių nepatiko, nes posakis trou noir kėlė abejotinų asociacijų).

Ten, už horizonto

Juodoji skylė nėra nei materija, nei spinduliuotė. Su šiek tiek vaizduotės, galime pasakyti, kad tai yra savaime išsilaikantis gravitacinis laukas, sutelktas labai išlenktoje erdvės-laiko srityje. Jo išorinę ribą apibrėžia uždaras paviršius, įvykių horizontas. Jei žvaigždė prieš griūtį nesisuko, šis paviršius pasirodo esantis taisyklingas rutulys, kurio spindulys sutampa su Schwarzschildo spinduliu.

fizinę reikšmę horizontas labai aiškus. Šviesos signalas, siunčiamas iš išorinės kaimynystės, gali nukeliauti begalinį atstumą. Tačiau iš vidinio regiono siunčiami signalai ne tik neperžengs horizonto, bet neišvengiamai „pateks“ į singuliarumą. Horizontas yra erdvinė riba tarp įvykių, kurie gali tapti žinomi sausumos (ir bet kuriems kitiems) astronomams, ir įvykių, apie kuriuos informacija nebus atskleista jokiomis aplinkybėmis.

Kaip ir turėtų būti „pagal Schwarzschildą“, toli nuo horizonto, skylės trauka yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, todėl tolimam stebėtojui ji pasireiškia kaip eilinis sunkus kūnas. Be masės, skylė paveldi žlugusios žvaigždės inercijos momentą ir jos elektros krūvį. O visos kitos pirmtakės žvaigždės charakteristikos (struktūra, kompozicija, spektrinis tipas ir kt.) nueina į užmarštį.

Nusiųskite zondą į skylę su radijo stotimi, kuri siunčia signalą kartą per sekundę pagal laivo laiką. Tolimam stebėtojui, zondui artėjant prie horizonto, laiko intervalai tarp signalų padidės – iš esmės neribotą laiką. Kai tik laivas kirs nematomą horizontą, jis visiškai nutils „už skylės“ pasauliui. Tačiau šis dingimas nebus be pėdsakų, nes zondas duos skylei masę, įkrovą ir sukimo momentą.

juodosios skylės spinduliuotė

Visi ankstesni modeliai buvo sukurti remiantis tik bendruoju reliatyvumu. Tačiau mūsų pasaulį valdo kvantinės mechanikos dėsniai, kurie neignoruoja juodųjų skylių. Šie dėsniai neleidžia mums centrinio singuliarumo laikyti matematiniu tašku. Kvantiniame kontekste jo skersmuo nurodomas Planck-Wheeler ilgiu, maždaug lygus 10–33 centimetrams. Šiame regione įprasta erdvė nustoja egzistuoti. Visuotinai pripažįstama, kad skylės centras yra užpildytas įvairiomis topologinėmis struktūromis, kurios atsiranda ir miršta pagal kvantinių tikimybių dėsnius. Tokios burbuliuojančios kvazierdvės, kurią Wheeleris pavadino kvantinėmis putomis, savybės vis dar menkai suprantamos.

Kvantinio singuliarumo buvimas yra tiesiogiai susijęs su materialių kūnų, patenkančių giliai į juodąją skylę, likimu. Artėjant prie skylės centro, bet koks objektas, pagamintas iš šiuo metu žinomų medžiagų, bus sutraiškytas ir suplėšytas potvynio jėgų. Tačiau net jei būsimi inžinieriai ir technologai sukurs kai kuriuos itin tvirtus lydinius ir kompozitus, kurių šiandien dar negirdėtos savybės, jie visi vis tiek pasmerkti išnykti: juk singuliarumo zonoje nėra nei pažįstamo laiko, nei pažįstamos erdvės.

Dabar pažiūrėkime į skylės horizontą per kvantinį mechaninį objektyvą. Tuščia erdvė – fizinis vakuumas – iš tikrųjų jokiu būdu nėra tuščia. Dėl įvairių laukų kvantinių svyravimų vakuume nuolat gimsta ir miršta daug virtualių dalelių. Kadangi gravitacija šalia horizonto yra labai stipri, jos svyravimai sukuria itin stiprius gravitacinius pliūpsnius. Įsibėgėję tokiuose laukuose naujagimiai „virtualai“ įgyja papildomos energijos ir kartais tampa įprastomis ilgaamžėmis dalelėmis.

Virtualios dalelės visada gimsta poromis, kurios juda priešingomis kryptimis (to reikalauja impulso tvermės dėsnis). Jei gravitacinis svyravimas iš vakuumo ištraukia porą dalelių, gali atsitikti taip, kad viena iš jų materializuojasi už horizonto, o antroji (pirmosios antidalelė) – viduje. „Vidinė“ dalelė įkris į skylę, tačiau „išorinė“ gali ištrūkti esant palankioms sąlygoms. Dėl to skylė virsta spinduliuotės šaltiniu ir dėl to praranda energiją, taigi ir masę. Todėl juodosios skylės iš esmės yra nestabilios.

Šis reiškinys vadinamas Hokingo efektu žymaus anglų teorinio fiziko, atradusio jį aštuntojo dešimtmečio viduryje, vardu. Visų pirma Stephenas Hawkingas įrodė, kad juodosios skylės horizontas skleidžia fotonus lygiai taip pat, kaip absoliučiai juodas kūnas, įkaitintas iki T = 0,5 x 10 -7 x M s / M. Iš to seka, kad skylei plonėjant, jos temperatūra didėja, o „garavimas“, žinoma, didėja. Šis procesas yra labai lėtas, o M masės skylės tarnavimo laikas yra apie 10 65 x (M/M s) 3 metai. Kai jos dydis tampa lygus ilgiui Planck-Wheeler, skylė praranda stabilumą ir sprogsta, išskirdama tokią pat energiją, kaip tuo pačiu metu sprogstant milijonui dešimties megatonų vandenilinių bombų. Įdomu tai, kad skylės masė jos išnykimo metu vis dar yra gana didelė – 22 mikrogramai. Pagal kai kuriuos modelius skylė neišnyksta be pėdsakų, o palieka stabilų tokios pat masės relikviją, vadinamą maksimoną.

Maksimonas gimė prieš 40 metų – kaip terminas ir kaip fizinė idėja. 1965 metais akademikas M. A. Markovas pasiūlė, kad yra viršutinė elementariųjų dalelių masės riba. Jis pasiūlė šią ribinę vertę laikyti masės matmens dydžiu, kurį galima derinti iš trijų pagrindinių fizinių konstantų – Planko konstantos h, šviesos greičio C ir gravitacinės konstantos G (detalių mėgėjams: norėdami tai padaryti, reikia padauginti h ir C, rezultatą padalyti iš G ir išgauti kvadratinę šaknį). Tai yra tie patys 22 mikrogramai, kurie minimi straipsnyje, ši reikšmė vadinama Planko mase. Iš tų pačių konstantų galima sudaryti reikšmę su ilgio matmeniu (išeis Planck-Wheeler ilgis 10-33 cm) ir su laiko matmenimis (10-43 sek.).
Markovas samprotavo toliau. Pagal jo hipotezes, juodosios skylės išgaravimas lemia „sausos liekanos“ – maksimono – susidarymą. Markovas tokias struktūras pavadino elementariomis juodosiomis skylėmis. Kiek ši teorija atitinka tikrovę, vis dar atviras klausimas. Bet kuriuo atveju Markovo maksimonų analogai buvo atgaivinti kai kuriuose juodųjų skylių modeliuose, paremtuose superstygų teorija.

Erdvės gyliai

Juodosios skylės fizikos dėsnių nedraudžia, bet ar jos egzistuoja gamtoje? Visiškai griežtų įrodymų apie bent vieno tokio objekto buvimą erdvėje dar nerasta. Tačiau labai tikėtina, kad kai kuriose dvejetainėse sistemose rentgeno spindulių šaltiniai yra žvaigždinės kilmės juodosios skylės. Ši spinduliuotė turėtų atsirasti dėl gretimos skylės gravitacinio lauko įsiurbimo įprastos žvaigždės atmosferai. Dujos judant į įvykio horizontą stipriai įkaista ir skleidžia rentgeno kvantus. Mažiausiai dvi dešimtys rentgeno spindulių šaltinių dabar laikomi tinkamais kandidatais į juodųjų skylių vaidmenį. Be to, žvaigždžių statistika rodo, kad vien mūsų galaktikoje yra apie dešimt milijonų žvaigždžių kilmės skylių.

Juodosios skylės taip pat gali susidaryti gravitacinio medžiagos kondensacijos procese galaktikos branduoliuose. Taip atsiranda milžiniškos skylės, kurių masė siekia milijonus ir milijardus saulės masių, kurios, greičiausiai, yra daugelyje galaktikų. Matyt, Paukščių tako centre, padengtame dulkių debesimis, yra skylė, kurios masė siekia 3-4 milijonus Saulės masių.

Stephenas Hawkingas padarė išvadą, kad savavališkos masės juodosios skylės gali atsirasti iškart po Didžiojo sprogimo, dėl kurio atsirado mūsų Visata. Pirminės skylės, sveriančios iki milijardo tonų, jau išgaravo, tačiau sunkesnės vis dar gali pasislėpti kosmoso gelmėse ir laikui bėgant sukurti kosminius fejerverkus galingų gama spinduliuotės blyksnių pavidalu. Tačiau tokių sprogimų iki šiol nebuvo pastebėta.

juodųjų skylių gamykla

Bet ar įmanoma išsklaidyti daleles akceleratoriuje iki tokios didelės energijos, kad jų susidūrimas sudarytų juodąją skylę? Iš pirmo žvilgsnio ši mintis tiesiog beprotiška – skylės sprogimas sunaikins visą gyvybę Žemėje. Be to, tai techniškai neįgyvendinama. Jei minimali skylės masė iš tiesų yra 22 mikrogramai, tai energijos vienetais ji yra 10 28 elektronvoltai. Ši riba yra 15 dydžių kategorijų didesnė už galingiausio pasaulyje greitintuvo – didelio hadronų greitintuvo (LHC), kuris bus paleistas CERN 2007 m.

src="black_holes1/aerial-view-lhc.jpg" width="275" border="0">

Tačiau gali būti, kad standartinis minimalios skylės masės įvertinimas yra gerokai pervertintas. Bet kokiu atveju, tai teigia fizikai, kuriantys superstygų teoriją, kuri apima ir kvantinę gravitacijos teoriją (nors toli gražu nebaigta). Pagal šią teoriją erdvė turi ne tris matmenis, o mažiausiai devynis. Mes nepastebime papildomų matmenų, nes jie yra susukti tokiu mažu masteliu, kad mūsų instrumentai jų nesuvokia. Tačiau gravitacija yra visur, ji prasiskverbia į paslėptus matmenis. Trijų matmenų gravitacijos jėga yra atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui, o devyniose dimensijose – aštuntoji galia. Todėl daugiamačiame pasaulyje gravitacinio lauko intensyvumas didėja daug greičiau mažėjant atstumui nei trimačiame. Tokiu atveju Plancko ilgis padidėja daug kartų, o minimali skylės masė smarkiai sumažėja.

Stygų teorija numato, kad devyniamatėje erdvėje gali gimti tik 10–20 g masės juodoji skylė, CERN superakceleratoriuje pagreitintų protonų skaičiuojama reliatyvistinė masė yra maždaug tokia pati. Pagal patį optimistiškiausią scenarijų, jis kas sekundę galės pagaminti po vieną skylę, kuri gyvuos apie 10-26 sekundes. Jo garinimo procese gims visokios elementarios dalelės, kurias bus nesunku užregistruoti. Skylės išnykimas sukels energijos išsiskyrimą, kurios neužtenka net vienam mikrogramui vandens pašildyti tūkstantajai laipsnio daliai. Todėl yra vilties, kad LHC pavirs nekenksmingų juodųjų skylių gamykla. Jei šie modeliai bus teisingi, tai naujos kartos orbitiniai kosminių spindulių detektoriai taip pat galės aptikti tokias skyles.

Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, taikoma stacionarioms juodosioms skylėms. Tuo tarpu yra besisukančių skylių, kurios turi daugybę įdomių savybių. Juodosios skylės spinduliuotės teorinės analizės rezultatai taip pat paskatino rimtai permąstyti entropijos sampratą, kuri taip pat nusipelno atskiros diskusijos.

Kosminiai super smagračiai

Statinės elektriškai neutralios juodosios skylės, apie kurias kalbėjome, yra visiškai nebūdingos tikram pasauliui. Griūvančios žvaigždės linkusios suktis ir taip pat gali būti įkraunamos elektra.

Plikos galvos teorema

Milžiniškos skylės galaktikos branduoliuose, greičiausiai, susidaro iš pirminių gravitacijos kondensacijos centrų – vienos „požvaigždės“ skylės arba kelių skylių, kurios susijungė dėl susidūrimų. Tokios sėklų skylės praryja šalia esančias žvaigždes ir tarpžvaigždines dujas ir taip daug kartų padidina jų masę. Po horizontu vėl patenkanti materija turi ir elektros krūvį (kosminės dujos ir dulkių dalelės lengvai jonizuojasi), ir sukimosi momentą (kritimas vyksta sukant, spirale). Bet kuriame fiziniame procese išsaugomas inercijos ir krūvio momentas, todėl natūralu manyti, kad juodųjų skylių susidarymas nėra išimtis.

Tačiau dar stipresnis teiginys yra tiesa, ypatinga byla kuri buvo suformuluota pirmoje straipsnio dalyje (žr. A. Levin, The Amazing History of Black Holes, Popular Mechanics Nr. 11, 2005). Kad ir kokie būtų makroskopinės juodosios skylės protėviai, ji iš jų gauna tik masę, sukimosi momentą ir elektros krūvį. Johno Wheelerio žodžiais tariant, „juodoji skylė neturi plaukų“. Teisingiau būtų sakyti, kad iš kurios nors skylės horizonto kabo ne daugiau kaip trys „plaukeliai“, ką įrodė kelių teorinių fizikų bendromis pastangomis praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje. Tiesa, magnetinis krūvis turi būti išsaugotas ir skylėje, kurios hipotetinius nešiklius, magnetinius monopolius, 1931 metais numatė Paulas Diracas. Tačiau šios dalelės dar neatrastos, o apie ketvirtąjį „plauką“ kalbėti dar anksti. Iš principo gali būti papildomų „plaukelių“, susijusių su kvantiniais laukais, tačiau makroskopinėje skylėje jie visiškai nematomi.

Ir vis dėlto jie pasisuka

Jei statinė žvaigždė įkraunama, erdvės ir laiko metrika pasikeis, tačiau įvykių horizontas vis tiek išliks sferinis. Tačiau žvaigždžių ir galaktikos juodosios skylės dėl daugelio priežasčių negali turėti didelio krūvio, todėl šis atvejis nėra labai įdomus astrofizikos požiūriu. Tačiau skylės sukimasis sukelia rimtesnių pasekmių. Pirma, pasikeičia horizonto forma. Išcentrinės jėgos suspaudžia jį išilgai sukimosi ašies ir ištempia pusiaujo plokštumoje, todėl sfera virsta kažkuo panašiu į elipsoidą. Iš esmės su horizontu vyksta tas pats, kas su bet kuriuo besisukančiu kūnu, ypač su mūsų planeta – juk Žemės pusiaujo spindulys yra 21,5 km ilgesnis nei poliarinio. Antra, sukimasis sumažina tiesinius horizonto matmenis. Prisiminkite, kad horizontas yra takoskyra tarp įvykių, kurie gali siųsti signalus į tolimus pasaulius arba ne. Jei skylės gravitacija patraukia šviesos kvantus, tai išcentrinės jėgos, priešingai, prisideda prie jų pabėgimo į kosmosą. Todėl besisukančios skylės horizontas turėtų būti arčiau jos centro nei tokios pat masės statinės žvaigždės horizontas.

Bet tai dar ne viskas. Jo sukimosi skylė tempia aplinkinę erdvę. Netoli skylės įtraukimas yra baigtas, periferijoje jis palaipsniui silpnėja. Todėl skylės horizontas yra panardintas į ypatingą erdvės sritį – ergosferą. Ergosferos riba ties ašigaliais liečia horizontą ir labiausiai nuo jo nutolsta pusiaujo plokštumoje. Šiame paviršiuje erdvės įsiskverbimo greitis lygus šviesos greičiui; jo viduje jis didesnis už šviesos greitį, o išorėje mažesnis. Todėl bet koks materialus kūnas, ar tai būtų dujų molekulė, kosminių dulkių dalelė ar žvalgybinis zondas, patekęs į ergosferą, tikrai pradės suktis aplink skylę, ir ta pačia kryptimi kaip ir pats.

Žvaigždžių generatoriai

Ergosferos buvimas iš esmės leidžia naudoti skylę kaip energijos šaltinį. Tegul koks nors objektas prasiskverbia į ergosferą ir ten suskaidomas į du fragmentus. Gali pasirodyti, kad vienas iš jų pateks po horizontu, o kitas paliks ergosferą, o jo kinetinė energija viršys pradinę viso kūno energiją! Ergosfera taip pat turi galimybę sustiprinti elektromagnetinę spinduliuotę, kuri patenka į ją ir vėl išsisklaido į erdvę (šis reiškinys vadinamas superradiacija).

Tačiau energijos tvermės dėsnis yra nepajudinamas – amžinųjų variklių nėra. Kai skylė suteikia energijos dalelei ar spinduliuotei, jos pačios sukimosi energija sumažėja. Kosminis supersmagratis pamažu lėtėja, o galiausiai gali net sustoti. Paskaičiuota, kad tokiu būdu į energiją galima paversti iki 29% skylės masės. Veiksmingesnis už šį procesą yra tik medžiagos ir antimedžiagos sunaikinimas, nes tokiu atveju masė visiškai paverčiama spinduliuote. Tačiau saulės termobranduolinis kuras išdega daug mažesniu efektyvumu – apie 0,6%.

Vadinasi, greitai besisukanti juodoji skylė yra kone idealus energijos generatorius kosminėms supercivilizacijoms (jei, žinoma, tokių yra). Bet kokiu atveju gamta šį išteklį naudojo nuo neatmenamų laikų. Kvazarai, galingiausios kosminės „radijo stotys“ (elektromagnetinių bangų šaltiniai), minta gigantiškų besisukančių skylių, esančių galaktikų šerdyje, energija. Šią hipotezę dar 1964 m. iškėlė Edvinas Salpeteris ir Jakovas Zeldovičius, ir nuo tada ji tapo visuotinai priimta. Prie skylės artėjanti medžiaga sudaro žiedo pavidalo struktūrą, vadinamąjį akrecinį diską. Kadangi erdvė prie skylės sukimosi stipriai susisuka, vidinė disko zona išlaikoma pusiaujo plokštumoje ir lėtai nusėda įvykių horizonto link. Dujos šioje zonoje stipriai įkaista dėl vidinės trinties ir sukuria infraraudonuosius, šviesą, ultravioletinius ir rentgeno, o kartais net gama spindulius. Kvazarai taip pat skleidžia nešiluminę radijo spinduliuotę, kurią daugiausia lemia sinchrotrono efektas.

Labai sekli entropija

Plikos skylės teorema slepia labai klastingą spąstą. Griūvanti žvaigždė yra labai karštų dujų, suspaustų gravitacinių jėgų, krūva. Kuo didesnis žvaigždžių plazmos tankis ir temperatūra, tuo mažiau tvarkos ir daugiau chaoso joje. Chaoso laipsnis išreiškiamas labai specifiniu fizikiniu dydžiu – entropija. Laikui bėgant bet kurio izoliuoto objekto entropija didėja – tokia yra antrojo termodinamikos dėsnio esmė. Žvaigždės entropija prieš griūties pradžią yra pernelyg didelė, o skylės entropija atrodo labai maža, nes norint vienareikšmiškai apibūdinti skylę, reikia tik trijų parametrų. Ar gravitacinio kolapso metu pažeidžiamas antrasis termodinamikos dėsnis?

Ar negalima daryti prielaidos, kad žvaigždei virstant supernova, jos entropija nunešama kartu su išmestu apvalkalu? Deja, ne. Pirma, apvalkalo masės negalima lyginti su žvaigždės mase, todėl entropijos praradimas bus nedidelis. Antra, nesunku sugalvoti dar įtikinamesnį antrojo termodinamikos dėsnio mintinį „paneigimą“. Tegul ne nulinės temperatūros kūnas, turintis tam tikrą entropiją, patenka į jau paruoštos skylės traukos zoną. Patekęs po įvykių horizontu, jis išnyks kartu su savo entropijos atsargomis, o skylės entropija, matyt, nė kiek nepadidės. Kyla pagunda tvirtinti, kad ateivio entropija nedingsta, o persikelia į skylės vidų, tačiau tai tik žodinis triukas. Fizikos dėsniai vykdomi mums ir mūsų prietaisams prieinamame pasaulyje, o plotas po įvykių horizontu bet kuriam išoriniam stebėtojui yra terra incognita.

Šį paradoksą išsprendė Wheelerio absolventas Jacobas Beckensteinas. Termodinamika turi labai galingą intelektualinį resursą – idealių šiluminių variklių teorinį tyrimą. Beckensteinas sugalvojo psichikos prietaisą, kuris paverčia šilumą į naudingo darbo naudojant juodąją skylę kaip šildytuvą. Naudodamas šį modelį, jis apskaičiavo juodosios skylės entropiją, kuris pasirodė proporcingas įvykio horizonto plotui. Šis plotas yra proporcingas skylės spindulio kvadratui, kuris, prisiminus, yra proporcingas jos masei. Užfiksuojant bet kurį išorinį objektą, skylės masė didėja, spindulys pailgėja, horizonto plotas didėja ir atitinkamai didėja entropija. Skaičiavimai parodė, kad skylės, prarijusios svetimą objektą, entropija viršija bendrą šio objekto ir skylės entropiją prieš jiems susitinkant. Panašiai ir griūvančios žvaigždės entropija yra daug dydžių mažesnė nei kitos skylės entropija. Tiesą sakant, iš Beckensteino samprotavimų išplaukia, kad skylės paviršiaus temperatūra yra ne nulis, todėl tiesiog turi skleisti šiluminius fotonus (ir, jei pakankamai šildomas, kitas daleles). Tačiau Beckensteinas taip toli eiti nedrįso (šį žingsnį žengė Stephenas Hawkingas).

Prie ko priėjome? Mąstymas apie juodąsias skyles ne tik palieka nepajudinamą antrąjį termodinamikos dėsnį, bet ir leidžia praturtinti entropijos sampratą. Įprasto fizinio kūno entropija yra daugiau ar mažiau proporcinga jo tūriui, o skylės entropija yra proporcinga horizonto paviršiui. Galima griežtai įrodyti, kad ji yra didesnė už bet kurio materialaus objekto, turinčio tokius pat linijinius matmenis, entropiją. Tai reiškia kad maksimalus uždaro erdvės ploto entropiją lemia tik jos išorinės ribos plotas! Kaip matome, juodųjų skylių savybių teorinė analizė leidžia daryti labai gilias bendro fizikinio pobūdžio išvadas.

Žvelgiant į visatos gelmes

Kaip sekasi ieškoti juodųjų skylių kosmoso gelmėse? Populiarioji mechanika uždavė šį klausimą garsiam astrofizikui, Harvardo universiteto profesoriui Rameshui Narayanui.

„Juodųjų skylių atradimas turėtų būti laikomas vienu didžiausių šiuolaikinės astronomijos ir astrofizikos laimėjimų. Pastaraisiais dešimtmečiais kosmose buvo identifikuota tūkstančiai rentgeno spindulių šaltinių, kurių kiekvienas susideda iš normalios žvaigždės ir labai mažo nešviečiančio objekto, apsupto akrecinio disko. Tamsūs kūnai, kurių masė svyruoja nuo pusantros iki trijų Saulės masių, tikriausiai yra neutroninės žvaigždės. Tačiau tarp šių nematomų objektų yra mažiausiai dvi dešimtys beveik šimtaprocentinių kandidatų į juodosios skylės vaidmenį. Be to, mokslininkai sutarė, kad galaktikos branduoliuose slepiasi mažiausiai dvi milžiniškos juodosios skylės. Vienas iš jų yra mūsų Galaktikos centre; pagal praėjusių metų JAV ir Vokietijos astronomų publikaciją, jos masė siekia 3,7 mln. Saulės masių (M s). Prieš keletą metų mano kolegos iš Harvardo-Smithsonian astrofizikos centro Jamesas Moranas ir Linkolnas Greenhillas daugiausia prisidėjo prie Seiferto galaktikos NGC 4258 centre esančios skylės, kuri ištraukė 35 mln. Tikėtina, kad daugelio galaktikų branduoliuose yra skylių, kurių masė nuo milijono iki kelių milijardų M s.

Kol kas nėra galimybės iš Žemės užfiksuoti tikrai unikalų juodosios skylės požymį – įvykių horizonto buvimą. Tačiau mes jau žinome, kaip įsitikinti, kad jo nėra. Neutroninės žvaigždės spindulys yra 10 kilometrų; skylių, atsiradusių dėl žvaigždžių griūties, spindulys yra tokio paties dydžio. Tačiau neutroninė žvaigždė turi tvirtą paviršių, o skylė – ne. Medžiagos kritimas ant neutroninės žvaigždės paviršiaus sukelia termobranduolinius sprogimus, kurie sukelia periodinius antrosios trukmės rentgeno blyksnius. O kai dujos pasiekia juodosios skylės horizontą, jos patenka po ja ir nepasireiškia kaip jokia spinduliuotė. Todėl trumpų rentgeno blyksnių nebuvimas yra galingas objekto skylės pobūdžio patvirtinimas. Visos dvi dešimtys dvejetainių sistemų, kuriose tikriausiai yra juodųjų skylių, tokių blyksnių neskleidžia.

Neįmanoma nepripažinti, kad dabar esame priversti tenkintis neigiamais juodųjų skylių egzistavimo įrodymais. Objektai, kuriuos skelbiame skylėmis, negali būti niekuo kitu visuotinai pripažintų teorinių modelių požiūriu. Kitaip tariant, mes jas laikome skylėmis vien todėl, kad negalime jų pagrįstai laikyti niekuo kitu. Tikiuosi, kad kitoms astronomų kartoms pasiseks šiek tiek daugiau.

Prie profesoriaus Narajano žodžių galima pridėti, kad astronomai jau seniai tikėjo juodųjų skylių egzistavimo tikrove. Istoriškai pirmasis patikimas kandidatas į šią poziciją buvo tamsus labai ryškiai mėlynos spalvos supermilžino HDE 226868 palydovas, esantis 6500 šviesmečių atstumu nuo mūsų. Jis buvo aptiktas aštuntojo dešimtmečio pradžioje Cygnus X-1 rentgeno dvejetainėje sistemoje. Naujausiais duomenimis, jo masė yra apie 20 M s. Verta paminėti, kad šių metų rugsėjo 20 dieną buvo paskelbti duomenys, kurie beveik visiškai išsklaidė abejones dėl dar vienos galaktikos masto skylės, kurios egzistavimą astronomai pirmą kartą įtarė prieš 17 metų, tikroviškumo. Jis yra M31 galaktikos, geriau žinomos kaip Andromedos ūkas, centre. Galaxy M31 yra labai senas, maždaug 12 milijardų metų. Skylė taip pat gana didelė – 140 milijonų saulės masių. 2005 m. rudenį astronomai ir astrofizikai pagaliau buvo įsitikinę, kad egzistuoja trys supermasyvios juodosios skylės ir dar pora dešimčių kuklesnių jų palydovų.

Teoretikų verdiktas

„Popular Mechanics“ taip pat galėjo pasikalbėti su dviem geriausiais pasaulio gravitacijos teoretikais, kurie dešimtmečius skyrė juodųjų skylių tyrimams. Mes paprašėme jų išvardyti daugiausia svarbius pasiekimusšiame regione. Štai ką mums pasakė Kalifornijos technologijos instituto teorinės fizikos profesorius Kipas Thorne'as:

„Jeigu kalbame apie makroskopines juodąsias skyles, kurias gerai apibūdina GR lygtys, tai jų teorijos srityje pagrindiniai rezultatai buvo gauti dar XX amžiaus 60-80-aisiais. Kalbant apie naujausius darbus, įdomiausias iš jų leido mums geriau suprasti procesus, vykstančius juodosios skylės viduje senstant. Pastaraisiais metais daug dėmesio buvo skiriama juodųjų skylių modeliams daugiamatėse erdvėse, kurie natūraliai atsiranda stygų teorijoje. Tačiau šiuose tyrimuose kalbama jau ne apie klasikines, o apie kvantines skyles, kurios dar nebuvo atrastos. Pagrindinis rezultatas Pastaraisiais metais- labai įtikinamas astrofizinis skylių, kurių masė siekia keletą saulės masių, egzistavimo, taip pat supermasyvių skylių galaktikų centruose, tikrovės patvirtinimas. Šiandien jau nekyla abejonių, kad šios skylės tikrai egzistuoja ir kad mes puikiai suprantame jų formavimosi procesus.

Valerijus Frolovas, akademiko Markovo studentas, Albertos universiteto (Kanada) profesorius, atsakė į tą patį klausimą:

„Pirmiausia įvardyčiau juodosios skylės atradimą mūsų galaktikos centre. Taip pat labai įdomūs teoriniai skylių tyrimai papildomų matmenų erdvėse, iš kurių seka mini skylučių gimimo galimybė eksperimentuose su greitintuvais-greitintuvais ir kosminių spindulių sąveikos su antžemine medžiaga procesuose. Stephenas Hawkingas neseniai išsiuntė išankstinį popieriaus atspaudą, kuriame teigiama, kad juodosios skylės šiluminė spinduliuotė visiškai grąžina išoriniam pasauliui informaciją apie objektų, kurie pateko po jos horizontu, būklę. Anksčiau jis manė, kad ši informacija negrįžtamai nyksta, tačiau dabar padarė priešingą išvadą. Nepaisant to, reikia pabrėžti, kad šią problemą pagaliau galima išspręsti tik remiantis kvantine gravitacijos teorija, kuri dar nebuvo sukurta.

Hokingo darbas nusipelno atskiro komentaro. Iš bendrųjų kvantinės mechanikos principų išplaukia, kad jokia informacija neišnyksta be pėdsakų, išskyrus tai, kad ji pereina į mažiau „skaitomą“ formą. Tačiau juodosios skylės negrįžtamai sunaikina materiją ir, matyt, taip pat griežtai elgiasi su informacija. 1976 m. Hawkingas paskelbė straipsnį, kuriame šią išvadą patvirtino matematinis aparatas. Kai kurie teoretikai jam pritarė, kiti – ne; ypač stygų teoretikai tikėjo, kad informacija yra nesunaikinama. Praėjusią vasarą Dubline vykusioje konferencijoje Hawkingas sakė, kad informacija vis dar saugoma ir palieka garuojančios skylės paviršių kartu su šilumine spinduliuote. Šiame susitikime Hawkingas pateikė tik savo naujų skaičiavimų diagramą, pažadėdamas laiku juos visus paskelbti. Ir dabar, kaip sakė Valerijus Frolovas, šis kūrinys tapo išankstiniu spaudiniu.

Galiausiai mes paprašėme profesoriaus Frolovo paaiškinti, kodėl jis mano, kad juodosios skylės yra vienas iš fantastiškiausių žmogaus intelekto išradimų.

„Astronomai jau seniai atranda objektus, kuriems suprasti nereikėjo iš esmės naujų fizinių idėjų. Tai taikoma ne tik planetoms, žvaigždėms ir galaktikoms, bet ir tokiems egzotiškiems kūnams kaip baltosios nykštukės ir neutroninės žvaigždės. Tačiau juodoji skylė yra visai kas kita, tai proveržis į nežinomybę. Kažkas pasakė, kad jos vidus - geriausia vieta kad apgyvendintų požemį. Skylių, ypač singuliarumo, tyrimas tiesiog verčia naudoti tokias nestandartines sąvokas ir modelius, kurie iki šiol fizikoje praktiškai nebuvo aptariami – pavyzdžiui, kvantinės gravitacijos ir stygų teorijos. Čia iškyla daug problemų, kurios fizikai neįprastos, net skausmingos, bet, kaip dabar aišku, yra visiškai tikros. Todėl skylių tyrimas nuolat reikalauja iš esmės naujų teorinių požiūrių, įskaitant tuos, kurie yra ant mūsų žinių apie fizinį pasaulį slenksčio.

Ankstesnis straipsnis: Kaip rasti aritmetinę progresiją? Kitas straipsnis: Aritmetinė progresija