Кара тешиктердин физикалык түшүндүрмөсү
Кара тешик – ааламдагы эң четки объектилердин бири: тартылуу күчү ушунчалык күчтүү болгон мейкиндик-убакыт аймагы, эч нерсе, атүгүл жарык да, белгилүү бир чекиттен чыга албайт. Алар мейкиндиктеги "тешиктер" сыяктуу угулушу мүмкүн, бирок кара тешиктер чындыгында бош мейкиндик эмес, тескерисинче, массанын/энергиянын өтө кичинекей көлөмгө топтолушунун натыйжасы. Заманбап физикада кара тешиктер жалпы салыштырмалуулук теориясын, кванттык механиканы жана мейкиндик менен убакытты түшүнүүбүздү текшерүү үчүн табигый лабораториялар катары кызмат кылат.
1. Кара тешиктер түшүнүгүнүн келип чыгышы
Объектилердин эбегейсиз зор тартылуу күчү жөнүндөгү идея 18-кылымга барып такалат. Бирок, физиканы терең түшүнүү Альберт Эйнштейн 1915-жылы жалпы салыштырмалуулук теориясын түзгөндөн кийин гана пайда болгон. Жалпы салыштырмалуулук теориясында тартылуу күчү жөнөкөй тартылуу күчү катары эмес, масса жана энергиядан улам пайда болгон мейкиндик-убакыттын ийрилиги катары каралат. Эгерде объект өтө массивдүү жана тыгыз болсо, анда анын айланасындагы мейкиндик-убакыттын ийрилиги абдан курч болуп калат.
1916-жылы Карл Шварцшильд айланбаган сфералык масса үчүн Эйнштейндин теңдемелеринин биринчи математикалык чечимин ачкан. Бул чечим белгилүү бир радиусун алдын ала айткан, эгерде масса камтылса, "окуя горизонту" пайда болот. Кийинчерээк бул түшүнүк кара тешиктер жөнүндөгү заманбап түшүнүккө айланган.
2. Окуя горизонту: "кайтарылбайт" чеги
Кара тешиктин ачкычы - окуя горизонту, башкача айтканда, качуу ылдамдыгы жарыктын ылдамдыгына барабар болгон чек араны белгилеген элестүү бет. Классикалык физикада качуу ылдамдыгы - бул объекттин тартылуу күчүнүн таасиринен кайра кулап түшпөстөн кутула ала турган минималдуу ылдамдык. Жерде ал болжол менен 11,2 км/с түзөт. Бирок, эгер объект абдан массивдүү жана радиусу өтө кичинекей болсо, анын качуу ылдамдыгы жарыктын ылдамдыгынан ашып кетиши мүмкүн.
Атайын жана жалпы салыштырмалуулук теориясына ылайык , жарык маалымат жана зат үчүн максималдуу ылдамдык чеги болгондуктан, окуя горизонту аркылуу өткөн эч нерсе сигналды кайра жөнөтө албайт. Мына ошондуктан кара тешиктер "кара" көрүнөт: кирген жарык чыга албайт, ошондуктан эч кандай жарык байкоочуга кайра чагылбайт.
Математикалык жактан алганда, Шварцшильд кара тешиги үчүн анын окуя горизонтунун радиусу Шварцшильд радиусу деп аталат:
rₛ = 2GM / c²
ди мана:
– G – гравитациялык туруктуу,
– объекттин массасы M,
- c жарыктын ылдамдыгы.
Масса канчалык чоң болсо, rₛ ошончолук чоң. Кызыктуусу, кара тешиктер сөзсүз түрдө "кичинекей" болушу шарт эмес; супермассивдүү кара тешиктердин окуя горизонттору планеталардын орбиталарынан чоңураак болушу мүмкүн.
3. Сингулярдуулук: салыштырмалуулук моделиндеги экстремалдык чекит
Кара тешиктин борборунда жалпы салыштырмалуулук сингулярдуулукту, мейкиндик-убакыттын ийрилиги математикалык жактан чексиз болуп, массанын тыгыздыгы чексиз болуп көрүнгөн аймакты алдын ала айтат. Бирок, көптөгөн физиктер сингулярдуулукту теориянын (жалпы салыштырмалуулук) мындай экстремалдык шарттар үчүн толук эместигинин белгиси катары көрүшөт.
Дал ушул жерде кванттык тартылуу теориясына болгон муктаждык пайда болот: жалпы салыштырмалуулук теориясынын жана өтө кичинекей жана энергетикалык масштабдарда эмне болорун түшүндүрө ала турган кванттык механиканын айкалышы. Бүгүнкү күнгө чейин сингулярдуулуктар терең суроо бойдон калууда — алар чындыгында физикалык жактан барбы же жөн гана алардын чөйрөсүнөн тышкары математикалык моделдердин артефакттарыбы.
4. Кара тешиктердин түрлөрү
Жалпысынан алганда, кара тешиктер массасына жана пайда болуу процессине жараша айырмаланат.
1. Жылдыз массасындагы кара тешик
Супернова жарылуусунан кийин массалык жылдыздын өзөгүнүн кыйрашынан пайда болгон алардын массалары, адатта, Күндүн массасынан бир нечеден ондогон эсе чоң.
2. Өтө чоң кара тешик
Саманчынын жолу (Жаачы А) сыяктуу галактикалардын борборунда жайгашкан. Алардын массасы Күндүн массасынан миллиондогондон миллиарддаган эсеге чейин чоң. Алардын пайда болуу механизмдери дагы эле изилденип жатат; алар, кыязы, көптөгөн кара тешиктердин биригиши жана миллиарддаган жылдар бою заттардын топтолушу аркылуу пайда болгон.
3. Орточо массалуу кара тешиктер
Алардын массасы жүздөгөндөн жүз миңдеген күнгө чейинки массаларды түзөт. Алардын бар экендигинин далилдери көбөйүүдө, бирок алардын популяциясы жакшы картага түшүрүлгөн эмес.
4. Алгачкы кара тешиктер (гипотетикалык)
Ал алгачкы ааламда өтө жогорку тыгыздыктын өзгөрүшүнөн улам пайда болгон деп эсептелет. Анын бар экени далилдене элек, бирок космологияда көп талкууланат жана анын болушу мүмкүн деген божомол бар. караңгы материя.
5. Кара тешиктердин айлана-чөйрөгө тийгизген таасири: аккреция жана дисктер
Кара тешиктер өздөрү жарык чыгарбаса да, алардын айланасы укмуштуудай жарык болушу мүмкүн. Газ жана чаң кара тешикке түшкөндө, материал көп учурда аккрециялык дискти пайда кылат. Анын тез спираль кыймылынан улам пайда болгон сүрүлүү жана ысытуу бул дисктин, негизинен рентген нурлары түрүндө, эбегейсиз көп энергия бөлүп чыгаруусуна алып келет.
Активдүү супермассивдүү кара тешиктерде аккреция дисктери квазарларды — ааламдагы эң жаркыраган объектилердин айрымдарын — пайда кыла алат. Андан тышкары, кээ бир кара тешиктер релятивисттик агымдарды, башкача айтканда, кара тешиктин уюлдарынан жарыкка жакын ылдамдыкта атылып чыккан жогорку энергиялуу бөлүкчөлөрдүн агымдарын чыгарат. Бул агымдар жылдыздар аралык чөйрө менен өз ара аракеттенишет жана галактикалардын эволюциясына таасир эте алышат.
6. Кара тешиктин жанындагы убакыттын салыштырмалуулугу
Жалпы салыштырмалуулук теориясынын эң кызыктуу божомолдорунун бири - гравитациялык убакыттын кеңейиши. Гравитациялык талаа канчалык күчтүү болсо , гравитациясы алсызыраак аймактарга салыштырмалуу убакыт ошончолук жай өтөт (эки байкоочунун катышы жагынан). Окуя горизонтуна жакын жерде бул эффект өзгөчө күчөйт.
Алыскы байкоочуга кара тешикке карай кулап бараткан объект окуя горизонтуна жакындаганда жайлап, "тоңуп" калгандай сезилет, анын жарыгы кызарып (кызылга жылып) жана күңүрт болуп калат. Бирок, кулап бараткан объекттин өзү үчүн (жергиликтүү алкакта) ал окуя горизонту аркылуу чектүү убакытта өтүп, андан кийин жергиликтүү "убакыттын токтошун" сезбестен борборго карай уланат. Перспективадагы бул айырмачылык карама-каршылык эмес, тескерисинче, мейкиндик-убакыттын релятивисттик түзүлүшүнүн натыйжасы.
7. Хокинг радиациясы: кара тешиктер "бууланып" кетиши мүмкүн
1970-жылдары Стивен Хокинг кванттык механиканын түшүнүктөрүн окуя горизонтуна жакын мейкиндик-убакыт менен айкалыштырып, кара тешиктер азыр Хокинг радиациясы деп аталган жылуулук нурлануусун чыгарышы керек экенин ачкан. Жөнөкөй сөз менен айтканда, вакуумдагы кванттык флуктуациялар бөлүкчө-антибөлүкчө жуптарын пайда кылышы мүмкүн. Эгерде бири кара тешикке түшүп, экинчиси качып кетсе, анда алыскы байкоочунун көз карашынан алганда, кара тешик бөлүкчөлөрдү чыгарат.
Кесепети таң калыштуу: кара тешиктер акырындык менен массасын жоготуп, акыры бууланып кетиши мүмкүн. Бирок, жылдыз массасы же супермассивдүү кара тешиктер үчүн бул буулануу ылдамдыгы өтө аз — көпчүлүк учурларда аккреция процессинен алда канча аз. Хокинг радиациясы кичинекей (гипотетикалык) кара тешиктер үчүн өзгөчө маанилүү, анткени кара тешиктин массасы канчалык кичине болсо, анын радиациясынын температурасы ошончолук жогору болот.
8. Кара тешиктердин бар экендигинин далилдери
Кара тешиктер жарыкты түз чыгарбагандыктан, алардын бар экендигинин далилдери тартылуу күчүнүн жана айланадагы заттардын нурлануусунун таасиринен келип чыгат. Негизги далилдердин айрымдары:
– Галактиканын борборунун айланасында жылдыздардын кыймылы:
Жаачы А белгисинин жанындагы жылдыздардын орбиталарын байкоо өтө тыгыз, чоң массанын бар экенин көрсөтүп турат, ал супермассивдүү кара тешикке шайкеш келет.
– Экилик жылдыз системалары жана рентген нурлары:
Эгерде жылдыз өтө чоң көрүнбөгөн объектинин айланасында айланып, андан чыккан материал агып чыгып, аккрециялык диск пайда кылса, күчтүү рентген нурларын аныктоого болот.
– Гравитациялык толкундар:
LIGO жана Virgo детекторлору биригип жаткан кара тешиктерден гравитациялык толкундарды байкашкан. Бул сигналдар жалпы салыштырмалуулук теориясынын божомолдоруна дал келет.
– Кара тешиктин көлөкөсүнүн сүрөтү:
Event Horizon телескобу (EHT) M87 галактикасындагы кара тешиктин "көлөкөсүн" жана андан кийин Жаачы А галактикасын ийгиликтүү сүрөткө тартты. Көрүнүп турган нерсе - бул кара тешиктин өзү эмес, тескерисинче, айланадагы ысык газдын жарыгына каршы окуя горизонтунун силуэти.
9. Ачык суроолор: маалымат жана кванттык тартылуу күчү
Кара тешиктер дагы фундаменталдык көйгөйлөрдү жаратат, алардын бири - маалыматтык парадокс. Кванттык механикада системанын абалы жөнүндөгү маалымат жоголуп кетпеши керек. Бирок, эгерде кара тешик кокустук Хокинг нурлануусу аркылуу бууланып кетсе, анда бир жолу түшкөн материя жөнүндөгү маалымат кайда кетет? Бул талаш-тартыш кыл теориясынын , голографиянын жана маалымат кандайдыр бир формада окуялар горизонтунда сакталышы мүмкүн деген идеянын өнүгүшүнө түрткү болду.
Корутунду
Кара тешиктер экзотикалык астрономиялык объектилер гана эмес, ошондой эле заманбап физиканын эки түркүгүнүн : жалпы салыштырмалуулук теориясынын жана кванттык механиканын кесилиши. Окуялардын горизонтторунан жана убакыттын кеңейишинен тартып, жаркыраган аккреция дисктерине жана билинбеген Хокинг нурлануусуна чейин, кара тешиктер ааламдын биздин теорияларыбыздын чегинде кантип иштей аларын көрсөтөт. Кара тешиктер боюнча изилдөөлөр гравитациялык толкундарды байкоо, жогорку чечилиштеги телескоптор жана кванттык тартылуу күчүнүн өнүгүшү аркылуу өнүгүп жатат - бул космостун эң чоң сырларынын бири акырындык менен жакшыраак түшүнүлүп калышы мүмкүн деген үмүт берет.
