Melnais caurums
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.
Saskaņā ar kvantu mehānikas teoriju melnajiem caurumiem ir noteikta temperatūra un tie izstaro Hokinga starojumu, kas liek tiem lēnām samazināties.
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.
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. Melnā cauruma iekšienē fizikas likumi ir ļoti atšķirīgi.
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.
