Susivėlusiose juodųjų skylių kamerose susiduria dvi pagrindinės teorijos apie mūsų pasaulį. Ar tikrai yra juodųjų skylių? Atrodo, kad taip. Ar galima išspręsti pagrindines problemas, iškylančias atidžiau apžiūrėjus juodąsias skyles? Nežinoma. Norėdami suprasti, su kuo susiduria mokslininkai, turėsite pasinerti į šių neįprastų objektų tyrimo istoriją. Pradėsime nuo to, kad iš visų jėgų, egzistuojančių fizikoje, yra viena, kurios mes visai nesuprantame: gravitacija.
Gravitacija yra pagrindinės fizikos ir astronomijos sankirta, siena, kurioje susikerta dvi pagrindinės teorijos, apibūdinančios mūsų pasaulį: kvantinė teorija ir Einšteino erdvės-laiko ir gravitacijos teorija, dar vadinama bendrąja reliatyvumu.
- „Salik.biz“
Juodosios skylės ir gravitacija
Atrodo, kad šios dvi teorijos yra nesuderinamos. Ir tai net nėra problema. Jie egzistuoja skirtinguose pasauliuose, kvantinė mechanika apibūdina labai mažą, o bendroji reliatyvumas apibūdina labai didelius.
Abi teorijos susiduria tik tada, kai pasiekiate nepaprastai mažą mastelį ir didelę gravitaciją, ir kažkodėl viena iš jų tampa neteisinga. Bet kokiu atveju tai išplaukia iš teorijos.
Tačiau Visatoje yra viena vieta, kur mes iš tikrųjų galėtume būti šios problemos liudininku, o gal net ją išspręsti: juodosios skylės kraštas. Čia mes susitinkame su kraštutiniu sunkumu. Tačiau yra viena problema: niekas niekada nėra „matęs“juodosios skylės.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kas yra juodoji skylė?
Įsivaizduokite, kad visos fizinio pasaulio dramos atsiskleidžia erdvės laiko teatre, tačiau gravitacija yra vienintelė jėga, kuri iš tikrųjų keičia teatrą, kuriame ji vaidinama.
Gravitacijos jėga kontroliuoja Visatą, tačiau ji gali būti net ne jėga tradicine prasme. Einšteinas tai apibūdino kaip erdvės-laiko deformacijos padarinį. Ir galbūt tai tiesiog netelpa į standartinį dalelių fizikos modelį.
Kai labai didelė žvaigždė sprogsta savo gyvenimo pabaigoje, jos vidinė dalis griūva pati savaime, nes nebėra tiek degalų, kad palaikytų slėgį prieš gravitaciją. Galų gale, gravitacija vis dar sugeba panaudoti jėgą, atrodo, kad taip.
Medžiaga žlunga, ir jokia jėga gamtoje negali palikti šio žlugimo.
Per begalinį laiką žvaigždė suyra iki begalybės taško: išskirtinumo, arba pavadinkime jį juoda skyle. Bet, be abejo, per ribotą laiką žvaigždžių šerdis subyrės į kažkokius baigtinius matmenis ir vis tiek turės didžiulę masę be galo mažame plote. Ir tai taip pat bus vadinama juoda skyle.
Juodosios skylės nemeta visko aplink
Pažymėtina, kad mintis, kad juodoji skylė neišvengiamai įsiurbia viską į save, yra klaidinga.
Tiesą sakant, nesvarbu, ar jūs orbituojate žvaigždę, ar iš žvaigždės suformuotą juodąją skylę, nesvarbu, kol masė išlieka tokia pati. Gera senamadiška išcentrinė jėga ir jūsų kampinis pagreitis jus saugos ir neleis nukristi.
Pradėti kristi į vidų gali tik tada, kai įjungiate raketinius stabdžius, kad nutrauktumėte sukimą.
Tačiau kai tik pradėsite kristi į juodąsias skyles, pamažu įsibėgėsite iki vis didesnių greičių, kol galiausiai pasieksite šviesos greitį.
Kodėl kvantų teorija ir bendrasis reliatyvumas nesuderinami?
Šiuo metu viskas vyksta dalimis, nes pagal bendrąją reliatyvumą niekas negali judėti greičiau nei šviesos greitis.
Šviesa yra substratas, naudojamas kvantiniame pasaulyje keistis jėgomis ir pernešti informaciją į makrokosmą. Šviesa lemia, kaip greitai galima susieti priežastį ir padarinius. Jei judate greičiau nei šviesa, galite pamatyti įvykius ir pakeisti dalykus, kol jie neįvyks. Ir tai turi dvi pasekmes:
- Toje vietoje, kur šviesos greitį pasiekiate krisdami į vidų, taip pat turite išskristi iš to taško dar didesniu greičiu, kas atrodo neįmanoma. Todėl įprastinė fizinė išmintis jums pasakys, kad niekas negali palikti juodosios skylės, pramušdamas šią užtvarą, kurią mes taip pat vadiname „įvykių horizontu“.
- Iš to taip pat išplaukia, kad staiga pažeidžiami pagrindiniai kvantinės informacijos išsaugojimo principai.
Ar tai tiesa ir kaip mes galime modifikuoti gravitacijos teoriją (arba kvantinę fiziką), yra klausimai, į kuriuos daugelis fizikų ieško atsakymų. Ir nė vienas iš mūsų negali pasakyti, kokius argumentus mes pateiksime.
Ar yra juodųjų skylių?
Akivaizdu, kad visas šis jaudulys būtų pateisinamas tik tuo atveju, jei šioje visatoje tikrai būtų juodųjų skylių. Taigi ar jie egzistuoja?
Praėjusiame amžiuje buvo užtikrintai įrodyta, kad kai kurios dvejetainės žvaigždės, turinčios intensyvų rentgeno spindulį, iš tikrųjų yra žvaigždės, sugriuvusios į juodąsias skyles.
Be to, galaktikų centruose dažnai randame įrodymų apie didžiulę tamsią masės koncentraciją. Tai gali būti supermasyvios juodųjų skylių versijos, greičiausiai susidariusios susiliejus daugybei žvaigždžių ir dujų debesų, kurie pasinėrė į galaktikos centrą.
Įrodymai yra stiprūs, tačiau netiesioginiai. Gravitacinės bangos leido mums bent jau „išgirsti“juodųjų skylių susiliejimą, tačiau įvykio horizonto parašas vis dar nėra sunkus ir iki šiol niekada „nematėme“juodųjų skylių - jos yra tiesiog per mažos, per toli ir daugeliu atvejų per juodos.
Kaip atrodo juodoji skylė?
Jei pažvelgsite tiesiai į juodąją skylę, pamatysite tamsiausią įsivaizduojamą tamsą.
Bet artimiausia juodosios skylės aplinka gali būti pakankamai ryški, nes dujos spiralės į vidų - sulėtėja dėl jų nešamų magnetinių laukų atsparumo.
Dėl magnetinės trinties dujos įkaista iki milžiniškos kelių dešimčių milijardų laipsnių temperatūros ir pradeda skleisti ultravioletinius bei rentgeno spindulius.
Itin karšti elektronai, sąveikaujantys su magnetiniu lauku dujose, pradeda skleisti intensyvią radijo emisiją. Taigi juodosios skylės gali švytėti ir gali būti apsuptos skirtingo bangos ilgio skleidžiamo ugnies žiedo.
Ugnies žiedas su juodai juodu centru
Ir vis dėlto, viduryje, įvykio horizontas tarsi grobio paukštis sugauna kiekvieną per arti esantį fotoną.
Kadangi erdvę kreivuoja didžiulė juodosios skylės masė, šviesos keliai taip pat pasislenka ir sudaro net koncentrinius apskritimus aplink juodąją skylę, kaip serpentinai aplink gilų slėnį. Šį šviesos efekto žiedą jau 1916 metais apskaičiavo garsus matematikas Davidas Hilbertas, praėjus vos keliems mėnesiams po to, kai Albertas Einšteinas baigė savo bendrojo reliatyvumo teoriją.
Kelis kartus pravažiavus juodąją skylę, dalis šviesos spindulių gali ištrūkti, o kiti patekti į įvykio horizontą. Šiame sudėtingame šviesos kelyje tiesiog galite pažvelgti į juodąją skylę. Ir „nieko“, rodomo jūsų žvilgsniui, bus įvykio horizontas.
Jei nufotografuotumėte juodąją skylę, pamatytumėte juodą šešėlį, apsuptą žėrinčios šviesos rūko. Mes šią funkciją pavadinome juodosios skylės šešėliu.
Pažymėtina, kad šis šešėlis atrodo didesnis, nei galima būtų tikėtis, jei jo kilme laikytume įvykio horizonto skersmenį. Priežastis ta, kad juodoji skylė veikia kaip milžiniškas objektyvas, sustiprindama save.
Šešėlinę aplinką pavaizduos mažas „fotono žiedas“dėl šviesos, kuri beveik amžinai sukasi aplink juodąją skylę. Be to, pamatysite daugiau šviesos žiedų, pasirodančių netoli įvykio horizonto, tačiau besikaupiantys aplink juodosios skylės šešėlį dėl lęšių efekto.
Fantazija ar realybė?
Ar juodoji skylė gali būti tikras išradimas, kurį galima modeliuoti tik kompiuteryje? O gal galite tai pamatyti praktiškai? Atsakymas: įmanoma.
Visatoje yra dvi palyginti netoliese esančios supermasyvios juodosios skylės, kurios yra tokios didelės ir artimos, kad jų šešėliai gali būti užfiksuoti naudojant šiuolaikines technologijas.
Mūsų Paukščių Tako centre yra juodosios skylės, esančios 26 000 šviesmečių atstumu ir kurių masė yra 4 milijonus kartų didesnė už Saulės masę, ir juodoji skylė milžiniškoje elipsinėje galaktikoje M87 (Messier 87), kurios masė yra 3–6 milijardai Saulės masių.
M87 yra tūkstantį kartų toliau, bet tūkstantį kartų masyvesnis ir tūkstantį kartų didesnis, todėl abu objektai turės maždaug tokį patį šešėlio skersmenį, kuris bus projektuojamas į dangų.
Pamatykite garstyčių grūdelį Niujorke iš Europos
Atsitiktinai, paprastos radiacijos teorijos numato, kad abiejų objektų spinduliuotė, sukuriama arti įvykio horizonto, bus skleidžiama radijo dažniais nuo 230 Hz ir aukštesnėms.
Daugelis iš mūsų susiduria su šiais dažniais tik tada, kai turime praeiti skaitytuvą šiuolaikiniame oro uoste. Juose nuolat plaukioja juodosios skylės.
Ši spinduliuotė turi labai trumpą bangos ilgį - milimetro tvarka -, kurią lengvai sugeria vanduo. Kad teleskopas galėtų stebėti kosminių milimetrų bangas, jis turi būti pastatytas aukštai ant sauso kalno, kad nesugertų radiacijos Žemės troposferoje.
Iš esmės mums reikia milimetro teleskopo, kuris iš kažkur Nyderlanduose galėtų pamatyti garstyčių sėklos dydžio objektą Niujorke. Šis teleskopas bus tūkstantį kartų aštresnis už Hablo kosminį teleskopą, o milimetrų bangos ilgio tokio teleskopo dydis bus Atlanto vandenynas ar didesnis.
Žemės dydžio virtualus teleskopas
Laimei, mums nereikia padengti Žemės vienintele radijo plokštele, nes mes galime sukurti virtualų teleskopą su ta pačia skiriamąja geba, sujungdami teleskopų, esančių skirtinguose Žemės kalnuose, duomenis.
Ši technika vadinama diafragmos sinteze ir labai ilga pagrindine interferometrija (VLBI). Idėja yra gana sena ir įrodyta per kelis dešimtmečius, tačiau tik dabar tapo įmanoma ją pritaikyti aukštais radijo dažniais.
Pirmieji sėkmingi eksperimentai parodė, kad įvykio horizonto struktūras galima ištirti tokiais dažniais. Dabar yra viskas, ko reikia tokiam dideliam eksperimentui atlikti.
Jau vyksta darbai
„BlackHoleCam“projektas yra europinis projektas, skirtas maksimaliam astrofizinių juodųjų skylių atvaizdui, matavimui ir supratimui. Europos projektas yra pasaulinio bendradarbiavimo dalis - konsorciumas „Event Horizon Telescope“, kuriame dalyvauja daugiau nei 200 mokslininkų iš Europos, Amerikos, Azijos ir Afrikos. Kartu jie nori nufotografuoti pirmąją juodosios skylės nuotrauką.
2017 m. Balandžio mėn. Jie stebėjo galaktikos centrą ir M87 aštuoniais teleskopais ant šešių skirtingų kalnų Ispanijoje, Arizonoje, Havajuose, Meksikoje, Čilėje ir Pietų ašigalyje.
Visi teleskopai buvo aprūpinti tiksliais atominiais laikrodžiais, kad būtų galima tiksliai sinchronizuoti jų duomenis. Dėl tuo metu stebėtinai gerų oro sąlygų visame pasaulyje, mokslininkai užfiksavo keletą neapdorotų duomenų petabitų.
Juodosios skylės nuotrauka
Jei mokslininkams pavyks pamatyti įvykio horizontą, jie žinos, kad problemos, iškylančios kvantų teorijos ir bendrojo reliatyvumo sandūroje, nėra abstrakčios, o labai tikros. Galbūt tada jie gali būti išspręsti.
Tai galima padaryti gaunant aiškesnius juodųjų skylių šešėlių atvaizdus arba stebint žvaigždes ir pulsarius pakeliui aplink juodąsias skyles, naudojant visus turimus metodus šiems objektams tirti.
Galbūt būtent juodosios skylės ateityje taps mūsų egzotiškomis laboratorijomis.
Ilja Khel