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.