Juodosios skylės yra bene paslaptingiausi objektai visatoje. Nebent, žinoma, kažkur gilumoje yra paslėpti dalykai, apie kurių egzistavimą mes nežinome ir negalime žinoti, o tai mažai tikėtina. Juodosios skylės yra milžiniška masė ir tankis, suspaustos į vieną mažo spindulio tašką. Fizinės šių objektų savybės yra tokios keistos, kad jos suglumina pačius sudėtingiausius fizikus ir astrofizikus. Teorinė fizikė Sabine Hossfender surinko dešimt faktų apie juodąsias skyles, kurias turėtų žinoti visi, atranką.
Kas yra juodoji skylė?
Juodosios skylės savybė yra jos horizontas. Tai yra siena, už kurios niekas, net ir šviesa, negali sugrįžti. Jei atskira teritorija amžinai atsiriboja, mes kalbame apie „įvykių horizontą“. Jei jis yra tik laikinai atskirtas, mes kalbame apie „matomą horizontą“. Bet šis „laikinas“taip pat gali reikšti, kad regionas bus atskirtas daug ilgiau nei dabartinis visatos amžius. Jei juodosios skylės horizontas yra laikinas, bet ilgaamžis, skirtumas tarp pirmojo ir antrojo yra neryškus.
Kokios yra juodosios skylės?
Juodosios skylės horizontą galite įsivaizduoti kaip rutulį, o jo skersmuo bus tiesiogiai proporcingas juodosios skylės masei. Todėl kuo daugiau masės patenka į juodąją skylę, tuo didesnė juoda skylė. Tačiau, palyginti su žvaigždžių objektais, juodosios skylės yra mažos, nes nenugalimo gravitacinio slėgio įtaka masė suspausta į labai mažus tūrius. Pavyzdžiui, juodosios skylės su Žemės planetos mase spindulys yra tik keli milimetrai. Tai yra 10 000 000 000 kartų mažiau nei dabartinis Žemės spindulys.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Juodosios skylės spindulys vadinamas Schwarzschildo spinduliu pagal Karlą Schwarzschildą, kuris pirmiausia padarė išvadą apie juodąsias skyles kaip Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos sprendimą.
Kas vyksta horizonte?
Kai peržengi horizontą, aplink tave nieko ypatingo nevyksta. Viskas dėl Einšteino lygiavertiškumo principo, iš kurio išplaukia, kad negalima rasti skirtumo tarp pagreičio plokščioje erdvėje ir gravitacinio lauko, sukuriančio erdvės kreivumą. Tačiau stebėtojas, nutolęs nuo juodosios skylės, stebintis, kaip kažkas kitas patenka į ją, pastebės, kad žmogus judės vis lėčiau, artėdamas prie horizonto. Tarsi laikas lėčiau juda netoli įvykio horizonto nei toli nuo horizonto. Tačiau praeis šiek tiek laiko, o į skylę įkritęs stebėtojas peržengs įvykio horizontą ir atsidurs Schwarzschildo spindulyje.
Tai, ką patiriate horizonte, priklauso nuo gravitacijos lauko potvynio jėgų. Potvynis horizonte yra atvirkščiai proporcingas juodosios skylės masės kvadratui. Tai reiškia, kad kuo didesnė ir masyvesnė juodoji skylė, tuo mažiau jėgos. Ir jei tik juodoji skylė yra pakankamai masyvi, galite kirsti horizontą dar nepastebėję, kad kažkas vyksta. Šių potvynių jėgų poveikis jus ištemptų: fizikų tam vartojamas techninis terminas yra spagefikacija.
Pirmosiomis bendrojo reliatyvumo dienomis buvo manoma, kad horizonte yra vienaskaita, tačiau pasirodė, kad taip nėra.
Kas yra juodosios skylės viduje?
Niekas tiksliai nežino, bet tikrai ne knygų lentyna. Bendrasis reliatyvumas numato, kad juodojoje skylėje yra singuliarumas, vieta, kurioje potvynio jėgos tampa be galo didelės, o peržengus įvykio horizontą, jūs negalite eiti niekur kitur, tik į singuliarumą. Atitinkamai šiose vietose geriau nenaudoti bendro reliatyvumo - jis tiesiog neveikia. Norint pasakyti, kas vyksta juodosios skylės viduje, mums reikia kvantinės traukos teorijos. Visuotinai pripažįstama, kad ši teorija singuliarumą pakeis kažkuo kitu.
Kaip susidaro juodosios skylės?
Šiuo metu mes žinome keturis skirtingus juodųjų skylių susidarymo būdus. Geriausias supratimas siejamas su žvaigždžių žlugimu. Pakankamai didelė žvaigždė, sustojus jos branduolio sintezei, suformuoja juodąją skylę, nes susintetinta viskas, ką jau būtų galima sintetinti. Nutraukus sintezės sukeltą slėgį, materija pradeda kristi savo gravitacijos centro link, vis tankesnė. Galų gale jis tampa toks tankus, kad niekas negali įveikti gravitacinio efekto žvaigždės paviršiuje: taip gimsta juodoji skylė. Šios juodosios skylės vadinamos „saulės masės juodosiomis skylėmis“ir yra dažniausiai pasitaikančios.
Kitas įprastas juodųjų skylių tipas yra „supermasyvios juodosios skylės“, kurių galima rasti daugelio galaktikų centruose ir kurių masė yra maždaug milijardą kartų didesnė nei saulės juodųjų skylių. Kol kas nėra tiksliai žinoma, kaip jie formuojasi. Manoma, kad jie kažkada prasidėjo kaip saulės masės juodosios skylės, kurios prarijo daugybę kitų žvaigždžių tankiai apgyvendintuose galaktikos centruose ir išaugo. Tačiau atrodo, kad jie absorbuoja medžiagą greičiau, nei rodo ši paprasta idėja, o kaip tiksliai jie tai daro, vis dar yra tyrimų klausimas.
Prieštaringesnė idėja buvo pirmapradės juodosios skylės, kurias ankstyvojoje visatoje galėjo suformuoti beveik bet kuri masė dideliais tankio svyravimais. Nors tai įmanoma, sunku rasti modelį, kuris juos pagamintų, jų per daug nesukuriant.
Galiausiai yra labai spekuliatyvi mintis, kad ties Didžiojo hadrono kolektoriumi gali susidaryti mažos juodosios skylės, kurių masė artima Higso bozono masei. Tai veikia tik tuo atveju, jei mūsų visata turi papildomų matmenų. Iki šiol nebuvo patvirtinta, kad ši teorija būtų naudinga.
Iš kur mes žinome, kad egzistuoja juodosios skylės?
Turime daug stebėjimo įrodymų apie kompaktiškus objektus su didelėmis masėmis, kurie neskleidžia šviesos. Šie objektai pasiduoda gravitacinei traukai, pavyzdžiui, dėl kitų žvaigždžių ar dujų debesų judėjimo aplink juos. Jie taip pat sukuria gravitacinius lęšius. Mes žinome, kad šie objektai neturi tvirto paviršiaus. Tai išplaukia iš stebėjimų, nes materija, krentanti ant objekto su paviršiumi, turėtų sukelti daugiau dalelių nei materija, krentanti horizonte.
Kodėl praėjusiais metais Hawkingas teigė, kad juodųjų skylių nėra?
Jis norėjo pasakyti, kad juodosios skylės neturi amžino įvykių horizonto, o tik laikiną tariamą horizontą (žr. Pirmąją pastraipą). Griežta prasme tik įvykių horizontas laikomas juodąja skylė.
Kaip juodosios skylės skleidžia radiaciją?
Juodosios skylės spinduliuoja spinduliavimą dėl kvantinių efektų. Svarbu pažymėti, kad tai yra kvantiniai materijos, o ne kvantiniai gravitacijos efektai. Žlungančios juodosios skylės dinaminis erdvėlaikis keičia patį dalelės apibrėžimą. Kaip ir bėgantis laikas, kuris iškreipia šalia juodosios skylės, dalelių samprata pernelyg priklauso nuo stebėtojo. Visų pirma, kai į juodąją skylę patekęs stebėtojas mano, kad jis patenka į vakuumą, tolimasis nuo juodosios skylės stebėtojas mano, kad tai nėra vakuumas, bet dalelių pilna erdvė. Būtent laiko ir laiko ištempimas sukelia šį efektą.
Pirmą kartą Stephenas Hawkingas atrado, juodosios skylės skleidžiama spinduliuotė vadinama Hawkingo spinduliuote. Šios spinduliuotės temperatūra yra atvirkščiai proporcinga juodosios skylės masei: kuo mažesnė juodoji skylė, tuo aukštesnė temperatūra. Žvaigždžių ir supermasyvių juodųjų skylių, kurios, kaip mums žinoma, temperatūra yra gerokai žemesnė nei mikrobangų fono temperatūra, todėl jų nepastebima.
Kas yra informacijos paradoksas?
Informacijos praradimo paradoksą sukelia Hawkingo spinduliuotė. Ši spinduliuotė yra grynai terminė, tai yra, ji turi tik atsitiktinai ir tam tikrų savybių temperatūrą. Pačioje radiacijoje nėra jokios informacijos apie tai, kaip susidarė juodoji skylė. Bet kai juodoji skylė skleidžia radiaciją, ji praranda masę ir susitraukia. Visa tai yra visiškai nepriklausoma nuo medžiagos, kuri tapo juodosios skylės dalimi arba iš kurios ji buvo suformuota. Pasirodo, žinant tik galutinę garavimo būseną, negalima pasakyti, iš ko susidarė juodoji skylė. Šis procesas yra „negrįžtamas“- ir pagauna tai, kad kvantinėje mechanikoje tokio proceso nėra.
Pasirodo, kad juodosios skylės išgarinimas nesuderinamas su kvantine teorija, kaip mes ją žinome, ir dėl jos reikia ką nors padaryti. Kaip nors pašalinkite nenuoseklumą. Dauguma fizikų mano, kad sprendimas yra tas, kad Hawkingo radiacija turi kažkaip turėti informacijos.
Ką Hawkingas siūlo išspręsti informacijos apie juodąją skylę paradoksą?
Idėja yra ta, kad juodosios skylės turi turėti būdą saugoti dar nepriimtą informaciją. Informacija kaupiama juodosios skylės horizonte ir gali sukelti mažus dalelių pasislinkimus Hawkingo spinduliuotėje. Šiuose mažuose poslinkiuose gali būti informacijos apie įstrigusią medžiagą. Tiksli šio proceso informacija šiuo metu nėra aiški. Mokslininkai laukia išsamesnio Stepheno Hawkingo, Malcolmo Perry ir Andrew Stromingerio techninio dokumento. Jie sako, kad jis pasirodys rugsėjo pabaigoje.
Šiuo metu esame tikri, kad egzistuoja juodosios skylės, žinome, kur jie yra, kaip jie formuojasi ir kuo jie taps. Tačiau informacija apie tai, kur jiems patenka informacija, vis tiek atspindi vieną didžiausių visatos paslapčių.
Ilja Khelis