Melnās caurumi, iespējams, ir visnoslēpumainākie objekti Visumā. Ja vien, protams, kaut kur dziļumos nav paslēptas lietas, kuru esamību mēs nezinām un nevaram zināt, kas ir maz ticams. Melnie caurumi ir kolosāla masa un blīvums, kas saspiesti vienā maza rādiusa punktā. Šo objektu fiziskās īpašības ir tik dīvainas, ka tās mulsina vismodernākos fiziķus un astrofiziķus. Teorētiskā fiziķe Sabīne Hosfendere apkopoja desmit faktu izlasi par melnajiem caurumiem, kas visiem būtu jāzina.
Kas ir melnā caurums?
Melnās cauruma raksturojošais īpašums ir tā horizonts. Šī ir robeža, aiz kuras nekas, pat gaisma, nevar atgriezties. Ja atdalīta teritorija atdalās uz visiem laikiem, mēs runājam par "notikumu horizontu". Ja tas ir tikai uz laiku atdalīts, mēs runājam par "redzamo horizontu". Bet šis "īslaicīgais" varētu nozīmēt arī to, ka reģions tiks atdalīts daudz ilgāk nekā pašreizējais Visuma laikmets. Ja melnā cauruma horizonts ir īslaicīgs, bet ilgstošs, atšķirība starp pirmo un otro ir neskaidra.
Cik lieli ir melnie caurumi?
Jūs varat iedomāties melnā cauruma horizontu kā sfēru, un tā diametrs būs tieši proporcionāls melnā cauruma masai. Tāpēc, jo vairāk masas iekrīt melnajā caurumā, jo lielāks kļūst melnais caurums. Tomēr, salīdzinot ar zvaigžņu objektiem, melnie caurumi ir niecīgi, jo neatvairāma gravitācijas spiediena ietekmē masa tiek saspiesta ļoti mazos apjomos. Piemēram, melnās cauruma rādiuss ar planētas Zeme masu ir tikai daži milimetri. Tas ir 10 000 000 000 reižu mazāk nekā pašreizējais Zemes rādiuss.
Reklāmas video:
Melnās cauruma rādiusu sauc par Švarcilda rādiusu pēc Karla Švarcilda, kurš vispirms secināja melnās caurumus kā risinājumu Einšteina vispārējai relativitātes teorijai.
Kas notiek pie horizonta?
Kad jūs šķērsojat horizontu, apkārt nekas nenotiek. Viss Einšteina līdzvērtības principa dēļ, no kura izriet, ka jūs nevarat atrast atšķirību starp paātrinājumu plakanajā telpā un gravitācijas lauku, kas rada telpas izliekumu. Tomēr novērotājs, kas atrodas tālu no melnā cauruma un kurš vēro, kā tajā iekrīt kāds cits, pamanīs, ka cilvēks, tuvojoties horizonta malai, pārvietosies arvien lēnāk. Tas ir tā, it kā laiks notikuma horizonta tuvumā pārvietotos lēnāk nekā prom no horizonta. Tomēr paies zināms laiks, un novērotājs, kas iekrīt bedrē, šķērsos notikuma horizontu un atradīsies Schwarzschild rādiusā.
Tas, ko jūs piedzīvojat pie horizonta, ir atkarīgs no gravitācijas lauka plūdmaiņas spēkiem. Plūdmaiņas spēki pie horizonta ir apgriezti proporcionāli melnā cauruma masas kvadrātam. Tas nozīmē, ka jo lielāks un masīvāks ir melnais caurums, jo mazāk spēka. Un, ja tikai melnais caurums ir pietiekami masīvs, jūs varat šķērsot horizontu, pirms pat pamanāt, ka kaut kas notiek. Šo plūdmaiņu spēku ietekme jūs izstieps: tehniskais termins, ko fiziķi izmanto šim nolūkam, ir spagetizācija.
Pirmajās vispārējās relativitātes dienās tika uzskatīts, ka pie horizonta ir vienskaitlis, taču izrādījās, ka tas tā nav.
Kas atrodas melnajā caurumā?
Neviens precīzi nezina, bet noteikti ne grāmatu plaukts. Vispārējā relativitāte paredz, ka melnajā bedrē ir vienskaitlis, vieta, kur plūdmaiņas spēki kļūst bezgalīgi lieli, un, tiklīdz esat šķērsojis notikumu horizontu, jūs nevarat doties citur, kā tikai vienskaitlī. Attiecīgi šajās vietās labāk nelietot vispārējo relativitāti - tas vienkārši nedarbojas. Lai pastāstītu, kas notiek melnā cauruma iekšienē, mums nepieciešama kvantu gravitācijas teorija. Ir vispāratzīts, ka šī teorija aizstās singularitāti ar kaut ko citu.
Kā veidojas melnie caurumi?
Pašlaik mēs zinām četrus dažādus melno caurumu veidošanas veidus. Vislabākā izpratne ir saistīta ar zvaigžņu sabrukumu. Pietiekami liela zvaigzne pēc tās kodolsintēzes apstāšanās veido melno caurumu, jo ir sintezēts viss, ko jau varēja sintezēt. Kad kodolsintēzes radītais spiediens vairs nepastāv, matērija sāk krist uz savu gravitācijas centru, kļūstot arvien blīvāka. Galu galā tas kļūst tik blīvs, ka nekas nespēj pārvarēt gravitācijas efektu uz zvaigznes virsmas: tā rodas melnā bedre. Šos melnos caurumus sauc par "Saules masas melnajiem caurumiem" un tie ir visizplatītākie.
Nākamais izplatītais melno caurumu veids ir "supermasīvie melnie caurumi", kas atrodami daudzu galaktiku centros un kuru masa ir aptuveni miljardu reižu lielāka nekā saules melnajiem caurumiem. Pagaidām nav zināms, kā tieši tie veidojas. Tiek uzskatīts, ka tie kādreiz sākās kā Saules masas melnie caurumi, kas apdzīvoja daudzas citas zvaigznes blīvi apdzīvotos galaktikas centros un pieauga. Tomēr šķiet, ka viņi absorbē matēriju ātrāk, nekā liecina šī vienkāršā ideja, un tas, kā tieši viņi to dara, joprojām ir pētījumu jautājums.
Pretrunīgāka ideja bija pirmatnējie melnie caurumi, kurus agrīnā Visumā varēja izveidot gandrīz jebkura masa ar lielām blīvuma svārstībām. Lai gan tas ir iespējams, ir grūti atrast modeli, kas tos ražo, tos pārāk nepārveidojot.
Visbeidzot, ir ļoti spekulatīva ideja, ka pie lielā hadronu sadursmes aparāta varētu veidoties sīki melni caurumi ar masām, kas ir tuvu Higsa bozona masai. Tas darbojas tikai tad, ja mūsu Visumam ir papildu dimensijas. Pagaidām nav bijis apstiprinājuma par labu šai teorijai.
Kā mēs zinām, ka pastāv melnie caurumi?
Mums ir daudz novērojumu pierādījumu par kompaktiem objektiem ar lielu masu, kas neizstaro gaismu. Šie objekti atdod sevi gravitācijas pievilcības dēļ, piemēram, citu zvaigžņu vai gāzes mākoņu kustības dēļ ap tiem. Viņi arī rada gravitācijas lēcas. Mēs zinām, ka šiem objektiem nav cietas virsmas. Tas izriet no novērojumiem, jo matērijai, kas nokrīt uz objekta ar virsmu, būtu jāizraisa vairāk daļiņu nekā matērijai, kas nokrīt caur horizontu.
Kāpēc Hokings pagājušajā gadā teica, ka melnie caurumi nepastāv?
Viņš domāja, ka melnajiem caurumiem nav mūžīga notikumu horizonta, bet gan tikai īslaicīgs šķietamais horizonts (skat. Pirmo punktu). Stingrā nozīmē tikai notikumu horizonts tiek uzskatīts par melno caurumu.
Kā melnie caurumi izstaro starojumu?
Melnie caurumi izstaro starojumu kvantu efektu dēļ. Ir svarīgi atzīmēt, ka tie ir vielas kvantu efekti, nevis smaguma kvantu efekti. Sabrūkošā melnā cauruma dinamiskais telpas laiks maina pašu daļiņas definīciju. Tāpat kā laika ritējums, kas ir sagrozīts blakus melnajai bedrei, arī daļiņu jēdziens ir pārāk atkarīgs no novērotāja. Jo īpaši, ja novērotājs, kas iekrīt melnajā bedrē, domā, ka viņš iekrīt vakuumā, novērotājs, kas atrodas tālu no melnā cauruma, domā, ka tas nav vakuums, bet gan daļiņa pilna telpa. Tas ir telpas-laika stiepšanās, kas izraisa šo efektu.
Pirmo reizi Stīvens Hokings atklāja, ka melnā cauruma izstaroto starojumu sauc par Hokinga starojumu. Šim starojumam ir temperatūra, kas ir apgriezti proporcionāla melnā cauruma masai: jo mazāks ir melnais caurums, jo augstāka temperatūra. Zvaigžņu un supermasīvajiem melnajiem caurumiem, par kuriem mēs zinām, temperatūra ir krietni zemāka par mikroviļņu fona temperatūru, un tāpēc tos neievēro.
Kas ir informācijas paradokss?
Informācijas zuduma paradoksu izraisa Hokinga starojums. Šis starojums ir tikai termisks, tas ir, tam ir tikai nejauša temperatūra un noteiktas īpašības. Pats starojums nesatur nekādu informāciju par to, kā izveidojās melnais caurums. Bet, kad melnā caurums izstaro starojumu, tā zaudē masu un saraujas. Tas viss ir pilnīgi neatkarīgs no vielas, kas kļuva par melnā cauruma daļu vai no kuras tā izveidojās. Izrādās, ka, zinot tikai iztvaikošanas galīgo stāvokli, nevar pateikt, no kā izveidojās melnā caurums. Šis process ir "neatgriezenisks" - un nozveja ir tāda, ka šāda procesa kvantu mehānikā nav.
Izrādās, ka melnās cauruma iztvaikošana nav saderīga ar mums zināmo kvantu teoriju un ar to ir kaut kas jādara. Lai kaut kā novērstu neatbilstību. Lielākā daļa fiziķu uzskata, ka risinājums ir tāds, ka Hokinga radiācijai kaut kādā veidā jāsatur informācija.
Ko Hokings iesaka atrisināt melnā cauruma informācijas paradoksu?
Ideja ir tāda, ka melnajiem caurumiem ir jābūt iespējai uzglabāt vēl nepieņemtu informāciju. Informācija tiek glabāta melnā cauruma apvāršņā un var izraisīt sīkas daļiņu nobīdes Hokinga starojumā. Šajos niecīgajos pārvietojumos var būt informācija par ieslodzīto vielu. Precīza šī procesa informācija pašlaik nav skaidra. Zinātnieki gaida detalizētāku tehnisko dokumentu no Stīvena Hokinga, Malkolma Perija un Endrjū Štromingera. Viņi saka, ka tas parādīsies septembra beigās.
Pašlaik mēs esam pārliecināti, ka pastāv melnie caurumi, mēs zinām, kur viņi atrodas, kā tie veidojas un kādi tie galu galā kļūs. Bet informācija par to, kur viņiem nonāk informācija, joprojām atspoguļo vienu no lielākajiem noslēpumiem Visumā.
Iļja Khels