Սև խոռոչների ամբողջական բացատրությունը
Սև խոռոչները տիեզերքի ամենահետաքրքիր և ծայրահեղ օբյեկտներից են։ Դրանք համատեղում են առեղծվածը, ֆիզիկայի գեղեցկությունը և տարածության ու ժամանակի մարդկային ընկալման սահմանները։ Պարզ ասած՝ սև խոռոչը տարածության մեջ այնպիսի ուժեղ ձգողականության գոտի է, որից ոչինչ, նույնիսկ լույսը, չի կարող դուրս գալ։ Սակայն այդ սահմանումից այն կողմ թաքնված են բազմաթիվ կարևոր հասկացություններ՝ ինչպես են ձևավորվում սև խոռոչները, ինչ տեսք ունեն, ինչպես են գիտնականները հայտնաբերում դրանք, և ինչն է մնում առեղծված մինչ օրս։
Ի՞նչ է սև խոռոչը։
Գիտականորեն, սև խոռոչները կարելի է հասկանալ որպես տարածաժամանակի հսկայական կորության արդյունք: Ալբերտ Այնշտայնի ընդհանուր հարաբերականության տեսության մեջ գրավիտացիան պարզապես «ձգողական ուժ» չէ, այլ զանգվածի և էներգիայի ազդեցություն, որը ծռում է տարածությունն ու ժամանակը: Եթե օբյեկտն ունի շատ մեծ զանգված՝ կենտրոնացած շատ փոքր ծավալի մեջ, տարածաժամանակի կորությունը դառնում է շատ կտրուկ՝ բավականաչափ կտրուկ՝ գրավիտացիոն «թակարդ» ձևավորելու համար:
Այս թակարդի սահմանը կոչվում է իրադարձությունների հորիզոն։ Իրադարձությունների հորիզոնը պինդ մակերես չէ, ինչպես գնդի կեղևը, այլ երևակայական սահման. այս սահմանից այն կողմ լույսի կամ նյութի բոլոր հնարավոր ուղիները միշտ տանում են դեպի սև խոռոչի կենտրոն։ Քանի որ լույսը չի կարող դուրս գալ, սև խոռոչները չեն կարող ուղղակիորեն տեսանելի լինել, ինչպես աստղերը։ Կարելի է դիտարկել դրանց ազդեցությունը շրջակա միջավայրի վրա։
Կառուցվածքը և կարևոր մասերը
Սև խոռոչների մասին խոսելիս հաճախ հանդիպում են մի քանի հիմնական տերմիններ.
1. Իրադարձությունների հորիզոն
Սա «անվերադարձ կետն» է։ Եթե ինչ-որ մեկը անցնում է իրադարձությունների հորիզոնով, տեսականորեն վերադառնալու կամ ազդանշան ուղարկելու ոչ մի ճանապարհ չկա։ Չպտտվող սև խոռոչի իրադարձությունների հորիզոնի շառավիղը սովորաբար կոչվում է Շվարցշիլդի շառավիղ։
2. Եզակիություն
Սև խոռոչի կենտրոնում ընդհանուր հարաբերականության տեսությունը կանխատեսում է սինգուլյարություն՝ կետ (կամ շրջան)՝ անսահման խտությամբ և տարածաժամանակի անսահման կորությամբ։ Սակայն շատ ֆիզիկոսներ կասկածում են, որ սինգուլյարությունը մեր տեսության թերի լինելու նշան է. քվանտային ձգողականության տեսությունը անհրաժեշտ է հասկանալու համար, թե իրականում ինչ է կատարվում այնտեղ։
3. Ակրեցիայի սկավառակ
Շատ սև խոռոչներ շրջապատված են նյութի պտտվող սկավառակով, ինչպիսիք են գազը և փոշին: Շփումը և սեղմումը այս սկավառակը դարձնում են չափազանց տաք և արձակում են հզոր ճառագայթում (օրինակ՝ ռենտգենյան ճառագայթներ): Սա հենց այն հիմնական ձևերից մեկն է, որով սև խոռոչները «տեսանելի» են աստղադիտակների համար:
4. Հարաբերական շիթ
Որոշ սև խոռոչներում, հատկապես գալակտիկաների կենտրոններում գտնվող շատ ակտիվներում, բարձր էներգիայի մասնիկների շիթեր են արձակվում դրանց բևեռների մոտից՝ լույսի արագությանը մոտ արագությամբ։ Ճշգրիտ մեխանիզմը բարդ է և ներառում է մագնիսական դաշտ և սև խոռոչի պտույտը։
Ինչպե՞ս են ձևավորվում սև խոռոչները։
Սև խոռոչները կարող են առաջանալ մի քանի ուղիներով, բայց ամենահայտնիներն են՝
1. Աստղային փլուզում
Երբ Արեգակից շատ ավելի մեծ զանգված ունեցող աստղը կորցնում է միջուկային վառելիք, ձգողականության ճնշմանը դիմադրող ուժը թուլանում է։ Նրա միջուկը փլուզվում է։ Եթե միջուկի զանգվածը բավականաչափ մեծ է, ոչ մի ուժ չի կարող կանգնեցնել փլուզումը, և առաջանում է սև խոռոչ։ Այս գործընթացը հաճախ կապված է... գերնոր պայթյուն տպավորիչ։
2. Կոմպակտ օբյեկտների միաձուլում
Երկու նեյտրոնային աստղեր կամ երկու սև խոռոչներ կարող են պտտվել միմյանց շուրջ և ի վերջո միաձուլվել։ Այս իրադարձությունը առաջացնում է գրավիտացիոն ալիքներ որոնք կարելի է հայտնաբերել Երկրի վրա: Այս տեսակի միաձուլումը նոր և ավելի զանգվածեղ սև խոռոչների առաջացման աղբյուրներից մեկն է:
3. Գերզանգվածային սև խոռոչներ և դրանց ծագման առեղծվածը
Գրեթե յուրաքանչյուր մեծ գալակտիկայի կենտրոնում, այդ թվում՝ Ծիր Կաթինում, գտնվում է գերզանգվածային սև խոռոչ, որի զանգվածը միլիոնավորից մինչև միլիարդավոր անգամ մեծ է Արեգակի զանգվածից։ Դրա ծագումը մնում է հիմնական հարց. արդյո՞ք այն դանդաղ է աճել ավելի փոքր սև խոռոչներից, որոնք «ուտում» են նյութ և միաձուլվում, թե՞ արագորեն առաջացել է ամպի փլուզումից։ գազային հսկա վաղ տիեզերքում՞
Սև խոռոչների տեսակները
Ընդհանուր առմամբ, սև խոռոչները բաժանվում են իրենց զանգվածի հիման վրա՝
– Աստղային զանգվածի սև խոռոչներ.
Դրանց զանգվածները մի քանիից մինչև տասնյակ անգամ գերազանցում են Արեգակի զանգվածը։ Դրանք սովորաբար ձևավորվում են հսկայական աստղերի փլուզումից։
– Միջին զանգվածի սև խոռոչներ.
Դրանց զանգվածը տատանվում է հարյուրավորից մինչև հարյուր հազարավոր արեգակնային զանգվածների սահմաններում։ Դրանց գոյության մասին ապացույցները գնալով ավելի են ամրապնդվում, սակայն դրանց պոպուլյացիան և ձևավորման եղանակը դեռևս ուսումնասիրվում են։
- Գերզանգվածային սև խոռոչներ.
Միլիոնավորից մինչև միլիարդավոր արեգակնային զանգվածներ գտնվում են գալակտիկաների կենտրոնում։ Դրանք ազդում են գալակտիկաների էվոլյուցիայի վրա իրենց ձգողականության և էներգետիկ ակտիվության միջոցով։
Կա նաև նախնադարյան սև խոռոչների գաղափարը, սև խոռոչներ, որոնք կարող են ձևավորվել Մեծ պայթյունից անմիջապես հետո՝ խտության ծայրահեղ տատանումների պատճառով: Դրանց գոյությունը հաստատված չէ, բայց դրանք հետաքրքիր թեմա են, քանի որ որոշ սցենարներում կարող են կապված լինել մութ նյութի հետ:
Ինչպե՞ս են գիտնականները «տեսնում» սև խոռոչները։
Քանի որ սև խոռոչներն իրենք լույս չեն արձակում, դրանց հայտնաբերումը կատարվում է անուղղակի էֆեկտների միջոցով.
1. Աստղերի շարժումը և դրանց շուրջը գտնվող գազը
Եթե որևէ տարածաշրջանում աստղերը շարժվում են այնպես, կարծես պտտվում են անտեսանելի մարմնի շուրջ՝ հսկայական զանգվածով, դա սև խոռոչի առկայության հստակ նշան է։ Ծիր Կաթինի կենտրոնում աստղերի ուղեծրերի տասնամյակների դիտարկումները բացահայտել են մի հսկայական մարմնի առկայությունը, որն այժմ հայտնի է որպես Աղեղնավոր A։
2. Ակրեցիայի սկավառակից ճառագայթում
Սև խոռոչի մեջ ընկնող նյութը տաքանում է և արձակում ռենտգենյան ճառագայթներ: Չանդրա և XMM-Newton-ի նման ուղեծրային ռենտգենյան աստղադիտակները օգնում են հետևել սև խոռոչների թեկնածուներին:
3. Գրավիտացիոն ալիքներ
LIGO-ի և Virgo-ի նման դետեկտորները չափում են սև խոռոչների միաձուլումից առաջացող տարածաժամանակային ալիքները։ Սա ներկայացնում է սև խոռոչների ուսումնասիրման հեղափոխական նոր եղանակ։
4. Սև խոռոչի ստվերի պատկեր (Event Horizon Telescope)
2019 թվականին «Event Horizon Telescope»-ը (EHT) հրապարակեց սև խոռոչի «ստվերի» պատկերները M87 գալակտիկայում, իսկ ավելի ուշ՝ Աղեղնավոր A-ում։ Տեսանելի էր ոչ թե իրադարձությունների հորիզոնը, այլ շրջակա տաք գազի պայծառ լույսի առջևի մութ ուրվագիծը, որը աղավաղված էր դրա ծայրահեղ ձգողականության ուժով։
Ի՞նչ է պատահում, երբ մոտենում եք սև խոռոչին։
Երբ մարմինը մոտենում է սև խոռոչին, գրավիտացիոն մակընթացությունների ազդեցությունը մեծանում է։ Մարմնի մոտ և հեռավոր կողմերի միջև գրավիտացիոն ուժի տարբերությունը կարող է հսկայական լինել, ինչը հանգեցնում է սպագետիֆիկացիայի՝ մարմնի ձգման։ Գերզանգվածային սև խոռոչների դեպքում իրադարձությունների հորիզոնի մոտ մակընթացությունները կարող են ավելի «մեղմ» լինել, քան փոքր սև խոռոչների դեպքում, քանի որ դրանց շառավիղները շատ ավելի մեծ են։ Սակայն, իրադարձությունների հորիզոնից անցնելուց հետո վերջնական ճակատագիրը մնում է նույնը՝ դեպի կենտրոն։
Հեռավոր դիտորդի տեսանկյունից, ժամանակը թվում է, թե «դանդաղում է» ընկնող մարմնի համար։ Դրա ազդանշանը դառնում է ավելի կարմիր (կարմիր շեղումով) և ավելի թույլ։ Ընկնող մարմնի տեսանկյունից (իդեալական դեպքում), այն անցնում է իրադարձությունների հորիզոնով՝ առանց ֆիզիկական «պատ» զգալու, բայց հետո չի կարող վերադառնալ։
Հոքինգի ճառագայթումը և մեծ հարցերը
1970-ականներին Սթիվեն Հոքինգը ցույց տվեց, որ իրադարձությունների հորիզոնի մոտ քվանտային էֆեկտները թույլ են տալիս սև խոռոչներին ճառագայթել, որն այժմ կոչվում է Հոքինգի ճառագայթում: Սա նշանակում է, որ շատ երկար ժամանակահատվածում սև խոռոչները կարող են «գոլորշիանալ» և կորցնել զանգվածը: Աստղային զանգված ունեցող սև խոռոչների դեպքում գոլորշիացման ժամանակը շատ ավելի երկար է, քան տիեզերքի ներկայիս տարիքը, ուստի էֆեկտը գործնականում աննշան է: Այնուամենայնիվ, այս գաղափարը բացեց մի մեծ հանելուկ՝ տեղեկատվական պարադոքս. սև խոռոչի մեջ ընկնող օբյեկտների մասին տեղեկատվությունը ընդմիշտ կորա՞ծ է, թե՞ պահպանվում է այնպիսի ձևերով, որոնք մենք դեռևս չենք հասկանում:
Այս պարադոքսը շոշափում է ընդհանուր հարաբերականության և քվանտային մեխանիկայի միջև եղած հակամարտությունը։ Ժամանակակից հետազոտությունների մեծ մասը, ներառյալ լարերի տեսությունը և հոլոգրաֆիան, փորձում են կամուրջ գտնել այս երկուսի միջև, սակայն դեռևս վերջնական պատասխան չկա։
Եզրակացություն
Սև խոռոչները պարզապես «խոռոչներ» չեն տիեզերքում, այլ տիեզերական մարմիններ, որոնք մեզ ստիպում են վերանայել ձգողականությունը, լույսը, տարածությունը և ժամանակը: Դիտարկելով աստղերի շարժումը, ակրեցիոն սկավառակներից ճառագայթումը, ձգողական ալիքները և նույնիսկ գլոբալ աստղադիտակների կողմից նկարահանված «ստվերները», մարդիկ այժմ բազմաթիվ եղանակներ ունեն ուսումնասիրելու այն, ինչը էապես անտեսանելի է: Այնուամենայնիվ, շատ առեղծվածներ մնում են, հատկապես՝ եզակիությունների, գերզանգվածային սև խոռոչների ծագման և տեղեկատվության ճակատագրի վերաբերյալ: Հենց սա է պատճառը, որ սև խոռոչները շարունակում են մնալ ժամանակակից աստղագիտության և ֆիզիկայի կիզակետ. դրանք բնության ամենաէքստրեմալ լաբորատորիաներն են մեր գիտելիքների սահմանները ստուգելու համար:
