Melnie caurumi — definīcija, notikumu horizonts un Hokinga starojums
Uzzini par melnajiem caurumiem: definīcija, notikumu horizonts, Hokinga starojums un supermasīvo centru pierādījumi Piena Ceļā — skaidri un saprotami.
Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju melnais caurums ir kosmosa apgabals, no kura nekas nevar izkļūt, un tas ir milzīgas masas izraisīta telpiskā laika izliekuma rezultāts. Ap melno caurumu ir vieta, no kuras nav atpakaļceļa, ko sauc par notikumu horizontu. To sauc par "melno", jo tas absorbē visu gaismu, kas uz tā krīt, neatstarojot neko, gluži kā ideāls melnais ķermenis termodinamikā.
Kas atrodas melnā cauruma iekšpusē un Švarcmana rādiuss
Melno caurumu centrā, pēc vispārējās relativitātes, atrodas singularitāte — punkts vai apgabals, kurā teorija paredz bezgalīgu blīvumu un kur izzūd zināmo fizikas likumu nozīmīgums. Turklāt katram melnajam caurumam ir raksturīgs tā Švarcmana rādiuss (notikumu horizonta rādiuss), kas nosaka, cik tuvu centra gravitācija kļūst tik spēcīga, ka pat fotoni vairs nevar aizbēgt. Šis rādiuss ir proporcionāls objekta masai — lielākai masai atbilst lielāks notikumu horizonts.
Notikumu horizonts, fotonsfēra un rotējoši melnie caurumi
Notikumu horizonts ir robeža, no kuras izeja ir neiespējama; tas nav "materiāls" apvalks, bet ģeometriska robeža telpiskajā laikā. Tuvojoties horizontam, laika ritējums un telpiskās attālumu interpretācijas mainās — ārējam novērotājam objekts šķiet palēnināmies un sārstās gaismā, bet objekts, kas krīt iekšā, neizjūt nekādu vietēju "sienu" tieši brīdī, kad šķērso horizontu. Rotējošiem (Kēra tipa) melnajiem caurumiem pastāv arī ergosfēra — apgabals ārpus notikumu horizonta, kurā telpa tiek “pievilkta” kopā ar rotējošo objektu; tajā iespējams iegūt enerģiju (Penrouzes mehānisms). Ap horizontu var atrast arī fotonsfēru — apgabalu, kurā gaismai ir iespējamas stabilas vai pusstabilas orbītas.
Hokinga starojums un kvantu efekti
Saskaņā ar kvantu mehānikas teoriju melnajiem caurumiem ir noteikta temperatūra un tie izstaro Hokinga starojumu, kas liek tiem lēnām samazināties. Šo starojumu saprot kā kvantu efektu, kas rodas tuvu notikumu horizontam: kvantu vakuumā pastāv virtuālas daļiņu–antidaļiņu pāru radīšanās un iznīcināšanās, un reizēm vienai daļiņai izdodas aizbēgt kā starojumam, kamēr otra "nokļūst" melnajā caurumā. Hokinga temperatūra ir apgriezti proporcionāla melnā cauruma masai — jo mazāks melnais caurums, jo lielāka tā temperatūra un straujāka iztvaikošana; lieliem, zvaigžņveida vai supermasīviem melnajiem caurumiem Hokinga starojums ir ārkārtīgi vāja un to praktiski nav iespējams tieši uztvert. Lai arī Hokinga starojums ir teorētiski pamatots, tas joprojām paliek smags kvantu gravitācijas un informācijas paradoksa izpētes objekts.
Kā melnos caurumus atklāj
Melno caurumu atrod pēc tā mijiedarbības ar matēriju. Par melnā cauruma klātbūtni var spriest, sekojot zvaigžņu grupas kustībai, kas riņķo ap kādu reģionu kosmosā. Alternatīvi, ja gāze iekrīt melnajā caurumā, ko izraisa pavadošā zvaigzne vai miglāja, gāze spirālveidīgi virzās uz iekšu, sakarstot līdz ļoti augstai temperatūrai un izstarojot lielu starojuma daudzumu. Šo starojumu var konstatēt ar Zemē un ap Zemi riņķojošiem teleskopiem.
- X staru un rentgena emisijas no akrēcijas diskām norāda uz intensīvu materiāla iekrišanu.
- Zvaigžņu orbītu mērījumi dod tiešas mases aplēses un ļāva pierādīt kompaktus, ļoti smagus objektus.
- Gravitācijas viļņi, ko rada divu melno caurumu saplūšana, pirmoreiz tika tieši reģistrēti 2015. gadā (LIGO), sniedzot jaunu, tiešu pierādījumu par melno caurumu eksistenci un to īpašībām.
- Radio un milimetru viļņu interferometrijas metodes (piemēram, Event Horizon Telescope) ļāva attēlot notikumu horizontam līdzīgu siluetu lielā supermasīvā melnā cauruma apkārtnē.
Veidi, rašanās un izmēri
Melnie caurumi ir dažādu izmēru un izcelsmes:
- Zvaigžņveida melnie caurumi — veidojas, kad masīvas zvaigznes pēc termonukleārā kurināmā izsmelšanās sabrūk gravitācijas iedarbībā. To masas mēdz būt vairāku līdz vairāku desmitu Saules masu.
- Vidējie (intermediate) melnie caurumi — ar masu starp zvaigžņveida un supermasīvajiem, to eksistence tiek pētīta un tiek meklēti pārējie novērojumi.
- Supermasīvie melnie caurumi — atrodami galaktiku centros, ar masu miljoniem līdz miljardiem Saules masu. Tie, visticamāk, veidojušies gan no zvaigžņu sabrukšanas, gan augšanas akrēcijas un saplūšanas procesā.
- Ir arī hipotētiski primordiālie melnie caurumi — ļoti mazi objekti, kas varētu būt radušies agrīnajā Visumā.
Fizika tuvu melnajam caurumam un informācijas paradokss
Tuvojoties melnajam caurumam, iedarbojas spēcīgas tidālas (gravitācijas) spēkas, kas var izstiept objektus garākā virzienā un saspiest īsākā — šo fenomenu dēvē par spagetiifikāciju. Iekšpusē vispārējā relativitāte paredz singularitāti, kur klasiskā fizika vairs nav piemērojama; tiek uzskatīts, ka ir nepieciešama kvantu gravitācijas teorija, lai pilnībā aprakstītu šo reģionu.
Paralēli kvantu efektiem rodas informācijas paradokss: ja melnais caurums iztvaiko Hokinga starojuma dēļ, kas notiek ar informāciju par tā iekšienē kritušiem objektiem? Šis jautājums ir būtisks teorētiskajā fizikā un ir rosinājis daudz pētījumu — piemēram, hologrāfiskās principa idejas un AdS/CFT korespondences norādes, kā arī diskusijas par notikumu horizonta “membrānām” vai pat “ugunsmūriem”.
Pēdējie novērojumi un piemēri
Astronomi ir atraduši arī pierādījumus par supermasīviem melnajiem caurumiem gandrīz visu galaktiku centrā. Pēc 16 gadu ilgas tuvumā esošo zvaigžņu kustības novērošanas 2008. gadā astronomi atrada pārliecinošus pierādījumus, ka netālu no Strēlnieka A* reģiona Piena Ceļa galaktikas centrā atrodas vairāk nekā 4 miljonus Saules masu smags supermasīvs melnais caurums. Kopš tā laika zvaigžņu orbītu novērojumi ir turpinājušies un precizē centrālā objekta parametrus.
Turklāt, pateicoties gravitācijas viļņu detektoriem (LIGO, Virgo un citiem), ir tieši reģistrētas daudzas melno caurumu saplūšanas, sniedzot datus par to masām, rotācijām un evolūciju. Radioteleskopu tīkli ir attēlojuši arī melnā cauruma “ēnu” lielā centrālajā galaktikā M87, apstiprinot teorētiskos paredzējumus par notikumu horizonta izskatu.
Kāpēc tas ir svarīgi
Melnie caurumi kalpo kā dabas laboratorijas ekstremālu fizikas nosacījumu pētīšanai — tiem ir būtiska nozīme kosmoloģijā, galaktiku evolūcijā un fundamentālās fizikas jautājumos (piemēram, kvantu gravitācijas meklēšanā). Turklāt viņu novērojumi ir pierādījuši vispārējās relativitātes spēku un atvēruši jaunas metodes Visuma pētniecībai, piemēram, gravitācijas viļņu astronomiju.
Īss kopsavilkums: melnie caurumi ir reāli, novērojami kosmiski objekti, kuru uzvedība saprotama caur vispārējo relativitāti un kvantu mehānikas mijiedarbību. Lai gan daudzi jautājumi — it īpaši par singularitāti un informācijas saglabāšanu — joprojām nav galīgi atrisināti, pašreizējie novērojumi un teorētiskie modeļi sniedz spēcīgu pamatu tālākai izpētei.
Supermasīvais melnais caurums supermasīvās eliptiskās galaktikas Messier 87, kas atrodas Jaunavas zvaigznājā, kodolā. Šis melnais caurums bija pirmais, kas tika tieši attēlots (Event Horizon Telescope, publicēts 2019. gada 10. aprīlī).
Gravitācijas lēcas, ko rada melnais caurums, kas izkropļo galaktikas attēlu fonā, simulācija (lielāka animācija).
Vēsture
1783. gadā kāds angļu garīdznieks Džons Mičels rakstīja, ka ir iespējams, ka kaut kas varētu būt tik smags, ka, lai atbrīvotos no tā gravitācijas, būtu jādodas ar gaismas ātrumu. Gravitācija kļūst arvien spēcīgāka, kad kaut kas kļūst lielāks vai masīvāks. Lai maza lieta, piemēram, raķete, varētu aizbēgt no lielākas lietas, piemēram, Zemes, tai ir jāizvairās no mūsu gravitācijas pievilkšanas, citādi tā nokritīs atpakaļ. Ātrumu, ar kādu tai jālido uz augšu, lai atbrīvotos no Zemes gravitācijas, sauc par izkļūšanas ātrumu. Lielākām planētām (piemēram, Jupiterim) un zvaigznēm ir lielāka masa, un tām ir spēcīgāka gravitācija nekā Zemei. Tāpēc izbēgšanas ātrums ir daudz lielāks. Džons Mičels uzskatīja, ka ir iespējams, ka kaut kas var būt tik liels, ka bēgšanas ātrums būtu lielāks par gaismas ātrumu, tāpēc pat gaisma nevarētu izbēgt. Pjērs Simons Laplāss 1796. gadā savā grāmatā Exposition du système du Monde pirmajā un otrajā izdevumā popularizēja šo pašu ideju (vēlākos izdevumos tā tika izņemta).
Daži zinātnieki uzskatīja, ka Mišellam varētu būt taisnība, bet citi uzskatīja, ka gaismai nav masas un ka gravitācija to nevelk. Viņa teorija tika aizmirsta.
1916. gadā Alberts Einšteins uzrakstīja gravitācijas skaidrojumu, ko nosauca par vispārējo relativitāti.
- Masa liek telpai (un telpiskajam laikmetam) izliekties jeb izliekties. Kustīgas lietas "krīt līdzi" jeb seko telpas līknēm. To mēs saucam par gravitāciju.
- Gaisma vienmēr pārvietojas ar tādu pašu ātrumu, un to ietekmē gravitācija. Ja šķiet, ka tās ātrums mainās, tad tā patiesībā ceļo pa telpiskuma līkni.
Dažus mēnešus vēlāk, dienot Pirmajā pasaules karā, vācu fiziķis Karls Švarcšilds, izmantojot Einšteina vienādojumus, pierādīja, ka melnais caurums var eksistēt. Subrahmanyan Chandrasekhar 1930. gadā prognozēja, ka zvaigznes, kas ir smagākas par Sauli, var sabrukt, kad tām beidzas ūdeņradis vai cits kodoldegviela, kas sadeg. Roberts Openheimers un H. Snaiders 1939. gadā aprēķināja, ka zvaigznei būtu jābūt vismaz trīs reizes masīvākai par Sauli, lai veidotos melnais caurums. Džons Vīlers 1967. gadā pirmo reizi izgudroja nosaukumu "melnais caurums". Pirms tam tās sauca par "tumšajām zvaigznēm".
1970. gadā Stīvens Hokings un Rodžers Penrouzs pierādīja, ka melnajiem caurumiem ir jāpastāv. Lai gan melnie caurumi ir neredzami (tos nevar redzēt), daļa no tajos krītošās matērijas ir ļoti gaiša.
Melno caurumu veidošanās
Gravitācijas sabrukums
Milzīgu (lielas masas) zvaigžņu gravitācijas sabrukums rada "zvaigžņu masas" melnos caurumus. Zvaigžņu veidošanās agrīnajā Visumā varēja radīt ļoti masīvas zvaigznes, kurām sabrūkot varētu rasties melnie caurumi, kuru masa sasniegtu 103 Saules masas. Šie melnie caurumi varētu būt supermasīvo melno caurumu, kas atrodas lielākās daļas galaktiku centros, pirmsākumi.
Lielākā daļa gravitācijas kolapsa laikā izdalītās enerģijas izdalās ļoti ātri. Attāls novērotājs redz, kā gravitācijas laika dilatācijas dēļ ieplūstošais materiāls palēninās un apstājas tieši virs notikumu horizonta. Gaisma, kas izstarota tieši pirms notikumu horizonta, aizkavējas bezgalīgi ilgi. Tāpēc novērotājs nekad neredz notikumu horizonta veidošanos. Tā vietā šķiet, ka sabrūkošā viela kļūst arvien vājāka un arvien sarkanāk novirzīta, līdz galu galā izdziest.
Supermasīvi melnie caurumi
Melnie caurumi ir atrasti arī gandrīz katras zināmās Visuma galaktikas vidū. Tos sauc par supermasīviem melnajiem caurumiem (SBH), un tie ir vislielākie melnie caurumi no visiem. Tie veidojās, kad Visums bija ļoti jauns, un arī palīdzēja veidoties visām galaktikām.
Tiek uzskatīts, ka kvazārus darbina gravitācija, kas uzkrāj materiālu SBH tālu galaktiku centros. Gaisma nevar izkļūt no kvazāru centrā esošajām SBH, tāpēc izplūstošo enerģiju ārpus notikumu horizonta rada gravitācijas spriegums un milzīga berze uz ienākošo materiālu.
Kvazāriem ir izmērītas milzīgas centrālās masas (106 līdz 109 Saules masas). Vairāki desmiti tuvējo lielo galaktiku, kurās nav pazīmju par kvazāra kodolu, satur līdzīgu centrālo melno caurumu savos kodolos. Tāpēc tiek uzskatīts, ka visās lielajās galaktikās tāds ir, bet tikai neliela daļa no tām ir aktīvas (ar pietiekamu akrēciju, lai radītu starojumu), un tāpēc tās tiek uzskatītas par kvazāriem.
Ietekme uz gaismu
Melnā cauruma vidū atrodas gravitācijas centrs, ko sauc par singularitāti. Tajā nav iespējams ieskatīties, jo gravitācija neļauj izkļūt gaismai. Ap šo mazo singularitāti ir liels apgabals, kurā iesūcas arī gaisma, kas normālos apstākļos varētu iet garām. Šīs zonas malu sauc par notikumu horizontu. Teritorija aiz notikumu horizonta ir melnais caurums. Melnā cauruma gravitācija attālumā kļūst vājāka. Notikumu horizonts ir vieta, kas atrodas vistālāk no vidusdaļas, kur gravitācija joprojām ir pietiekami spēcīga, lai iesprostotu gaismu.
Ārpus notikumu horizonta gaisma un matērija joprojām tiks vilkta uz melno caurumu. Ja melno caurumu ieskauj matērija, matērija ap melno caurumu veidos "akrēcijas disku" (akrēcija nozīmē "savākšanās"). Akrēcijas disks izskatās līdzīgi Saturna gredzeniem. Iesūcoties, matērija kļūst ļoti karsta un izstaro rentgena starojumu kosmosā. Iedomājieties to kā ūdens, kas griežas ap caurumu, pirms tas iekrīt tajā.
Lielākā daļa melno caurumu ir pārāk tālu, lai mēs varētu redzēt akrēcijas disku un strūklu. Vienīgais veids, kā uzzināt, ka melnais caurums atrodas tur, ir redzēt, kā ap to uzvedas zvaigznes, gāze un gaisma. Ja melnā cauruma tuvumā ir melnais caurums, pat tik lieli objekti kā zvaigzne pārvietojas citādi, parasti ātrāk nekā tad, ja melnā cauruma tur nebūtu.
Tā kā mēs nevaram redzēt melnos caurumus, tie ir jāatklāj ar citiem līdzekļiem. Kad melnais caurums šķērso starp mums un gaismas avotu, gaisma izliekas ap melno caurumu, radot spoguļattēlu. Šo efektu sauc par gravitācijas lēcu.
Mākslinieka attēlā: melnais caurums, kas atplēš tuvējās zvaigznes ārējo slāni. To ieskauj enerģijas disks, kas rada starojuma strūklu.
Einšteina krusts: četri attēli no viena kvazāra
Hokinga starojums
Hokinga starojums ir melnā ķermeņa starojums, ko izstaro melnais caurums, pateicoties kvantu efektiem pie notikumu horizonta. Tas ir nosaukts fiziķa Stīvena Hokinga vārdā, kurš 1974. gadā sniedza teorētisku argumentu par tā eksistenci.
Hokinga starojums samazina melnā cauruma masu un enerģiju, tāpēc to dēvē arī par melnā cauruma iztvaikošanu. Tas notiek virtuālo daļiņu-antidaļiņu pāru dēļ. Kvantu svārstību dēļ tā notiek tad, kad viena no daļiņām iekrīt, bet otra izkļūst kopā ar enerģiju/masu. Šā iemesla dēļ sagaidāms, ka melnie caurumi, kas zaudē vairāk masas, nekā iegūst citādā veidā, saruks un galu galā izzudīs. Tiek prognozēts, ka mikro melnie caurumi (MBH) ir lielāki starojuma neto izstarotāji nekā lielāki melnie caurumi, un tiem būtu jāsamazinās un jāizplēn ātrāk.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir melnais caurums?
A: Melnais caurums ir kosmosa apgabals, no kura nevar izkļūt nekas, pat ne gaisma. Tas sāk pastāvēt, kad milzīga masa izliek telpiskā laika līkni, un tam ir notikumu horizonts, no kura nekas, kas tajā atrodas, nevar izkļūt.
J: Kāpēc melnie caurumi ir melni?
A: Melnie caurumi ir melni, jo tie absorbē visu gaismu, kas uz tiem krīt, un neatstaro neko, gluži kā ideāls melnais ķermenis termodinamikā.
J: Kā cilvēki atrod melnos caurumus?
A: Cilvēki atrod melnos caurumus, sekojot zvaigžņu kustībai, kas riņķo kaut kur kosmosā, vai arī tad, kad gāze iekrīt melnajā caurumā, sakarst un kļūst ļoti spilgta, ko var redzēt ar teleskopiem uz Zemes vai Zemes orbītā esošiem teleskopiem.
Vai ir supermasīvi melnie caurumi?
A: Jā, astronomi ir atraduši pierādījumus par supermasīviem melnajiem caurumiem gandrīz visu galaktiku centrā. Astronomi 2008. gadā atrada pierādījumus tam, ka netālu no Piena Ceļa galaktikas Strēlnieka A* daļas atrodas supermasīvs melnais caurums, kura masa pārsniedz četrus miljonus Saules masu.
Vai kvantu mehānika ietekmē to, kā mēs skatāmies uz melnajiem caurumiem?
A: Jā, saskaņā ar kvantu mehāniku melnajiem caurumiem ir temperatūra un tie izstaro Hokinga starojumu, kas liek tiem lēnām samazināties.
J: Kas notiek melnā cauruma iekšienē?
A.: Melnā cauruma iekšienē fizikas likumi ļoti atšķiras no tiem, ko mēs piedzīvojam šeit, uz Zemes.
Meklēt