கருந்துளைகளின் இயற்பியல் விளக்கம்
கருந்துளை என்பது பிரபஞ்சத்தில் உள்ள மிகவும் தீவிரமான பொருட்களில் ஒன்றாகும்: இது கால-வெளிப் பகுதியாகும், இதன் ஈர்ப்பு விசை மிகவும் வலிமையானது, அதனால் ஒளி உட்பட எதுவும் ஒரு குறிப்பிட்ட புள்ளியைத் தாண்டி தப்பிக்க முடியாது. அவை விண்வெளியில் உள்ள பெரிய "துளைகள்" போலத் தோன்றினாலும், கருந்துளைகள் உண்மையில் வெற்றிடம் அல்ல, மாறாக மிகச் சிறிய கனஅளவில் நிறை/ஆற்றல் குவிவதன் விளைவாகும். நவீன இயற்பியலில் , பொது சார்பியல், குவாண்டம் இயக்கவியல் மற்றும் காலம்-வெளி பற்றிய நமது புரிதலைச் சோதிப்பதற்கான இயற்கை ஆய்வகங்களாகக் கருந்துளைகள் செயல்படுகின்றன.
1. கருந்துளைகள் என்ற கருத்தின் தோற்றம்
மிகப்பெரிய ஈர்ப்பு விசை கொண்ட பொருள்கள் பற்றிய கருத்து 18 ஆம் நூற்றாண்டிலேயே இருந்து வருகிறது. இருப்பினும், 1915 ஆம் ஆண்டில் ஆல்பர்ட் ஐன்ஸ்டீன் தனது பொது சார்பியல் கோட்பாட்டை வகுத்த பின்னரே, இயற்பியலில் ஒரு திடமான புரிதல் ஏற்பட்டது. பொது சார்பியலில், ஈர்ப்பு விசை என்பது ஒரு எளிய கவர்ச்சி விசையாகக் கருதப்படாமல், நிறை மற்றும் ஆற்றலால் ஏற்படும் வெளி-காலத்தின் வளைவாகக் கருதப்படுகிறது. ஒரு பொருள் மிகவும் நிறை மற்றும் அடர்த்தி கொண்டதாக இருந்தால், அதைச் சுற்றியுள்ள வெளி-காலத்தின் வளைவு மிகவும் கூர்மையாகிறது.
1916-ல், சுழலாத கோள வடிவ நிறை ஒன்றிற்கான ஐன்ஸ்டீனின் சமன்பாடுகளுக்கு கார்ல் ஸ்வார்ஸ்ஷில்ட் முதல் கணிதத் தீர்வைக் கண்டுபிடித்தார். இந்தத் தீர்வு, ஒரு நிறை அடங்கியிருந்தால், ஒரு குறிப்பிட்ட ஆரத்திற்குள் 'நிகழ்வு எல்லை' உருவாகும் என்று கணித்தது. இந்தக் கருத்து பிற்காலத்தில் கருந்துளைகள் பற்றிய நவீன புரிதலாக உருவெடுத்தது.
2. நிகழ்வு எல்லை: “திரும்ப முடியாத” எல்லை
ஒரு கருந்துளையின் திறவுகோல் நிகழ்வு எல்லை ஆகும். இது, விடுபடு திசைவேகம் ஒளியின் வேகத்திற்குச் சமமாக இருக்கும் எல்லையைக் குறிக்கும் ஒரு கற்பனையான மேற்பரப்பாகும். மரபு இயற்பியலில், விடுபடு திசைவேகம் என்பது ஒரு பொருள் மீண்டும் உள்ளே விழாமல், ஈர்ப்பு விசையின் தாக்கத்திலிருந்து தப்பிக்கக்கூடிய குறைந்தபட்ச வேகம் ஆகும் . பூமியில், இது வினாடிக்கு சுமார் 11,2 கி.மீ. ஆகும். இருப்பினும், ஒரு பொருள் மிக அதிக நிறை கொண்டதாகவும், மிகச் சிறிய ஆரம் கொண்டதாகவும் இருந்தால், அதன் விடுபடு திசைவேகம் ஒளியின் வேகத்தை விட அதிகமாக இருக்கக்கூடும்.
சிறப்பு மற்றும் பொது சார்பியல் கோட்பாடுகளின்படி, ஒளி என்பது தகவல் மற்றும் பருப்பொருளுக்கான உச்சபட்ச வேக வரம்பு என்பதால் , நிகழ்வு எல்லையைக் கடந்து செல்லும் எதனாலும் ஒரு சமிக்ஞையை மீண்டும் வெளியே அனுப்ப முடியாது. இதனால்தான் கருந்துளைகள் "கருப்பாக"த் தோன்றுகின்றன: உள்ளே நுழையும் ஒளி வெளியேற முடியாததால், பார்வையாளருக்கு எந்த ஒளியும் மீண்டும் பிரதிபலிக்கப்படுவதில்லை.
கணிதரீதியாக, ஒரு ஷ்வார்ஸ்சைல்ட் கருந்துளையின் நிகழ்வு எல்லை ஆரம், ஷ்வார்ஸ்சைல்ட் ஆரம் என்று அழைக்கப்படுகிறது:
rₛ = 2GM / c²
எங்கே:
G என்பது ஈர்ப்பு மாறிலி ஆகும்.
– M என்பது பொருளின் நிறை,
– c ஒளியின் வேகம்.
நிறை அதிகமாக இருந்தால், rₛ மதிப்பும் அதிகமாக இருக்கும். சுவாரஸ்யமாக, கருந்துளைகள் "சிறியதாக" இருக்க வேண்டிய அவசியமில்லை; மீப்பெரும் கருந்துளைகளின் நிகழ்வு எல்லைகள், கோள்களின் சுற்றுப்பாதைகளை விடப் பெரியதாக இருக்கக்கூடும்.
3. ஒருமைப்பாடு: சார்பியல் மாதிரியில் ஒரு உச்சநிலைப்புள்ளி
ஒரு கருந்துளையின் மையத்தில், பொது சார்பியல் கோட்பாடு ஒரு தனித்தன்மையை முன்னறிவிக்கிறது. அது, வெளி-நேரத்தின் வளைவு கணிதரீதியாக முடிவிலியாகவும், நிறை அடர்த்தி முடிவிலியாகவும் தோன்றும் ஒரு பகுதியாகும். இருப்பினும், பல இயற்பியலாளர்கள் அந்தத் தனித்தன்மையை, அத்தகைய தீவிரமான நிலைமைகளுக்கு அக்கொள்கை (பொது சார்பியல்) முழுமையற்றது என்பதற்கான ஒரு அறிகுறியாகவே கருதுகின்றனர்.
இங்குதான் குவாண்டம் ஈர்ப்பு விசை கோட்பாட்டிற்கான தேவை எழுகிறது: இது பொது சார்பியல் மற்றும் குவாண்டம் இயக்கவியல் ஆகியவற்றின் ஒரு கலவையாகும், இது மிகவும் சிறிய மற்றும் ஆற்றல்மிக்க அளவுகளில் என்ன நடக்கிறது என்பதை விளக்கக்கூடியது. இன்றுவரை, ஒருமைப்புள்ளிகள் ஒரு ஆழ்ந்த கேள்வியாகவே இருக்கின்றன—அவை உண்மையில் பௌதீக ரீதியாக உள்ளனவா, அல்லது அவற்றின் எல்லைக்கு அப்பாற்பட்ட கணித மாதிரிகளின் வெறும் செயற்கையான விளைவுகளா என்பதே அந்தக் கேள்வி.
4. கருந்துளைகளின் வகைகள்
பொதுவாக, கருந்துளைகள் அவற்றின் நிறை மற்றும் உருவாக்க செயல்முறையின் அடிப்படையில் வேறுபடுத்தப்படுகின்றன.
1. விண்மீன் நிறை கருந்துளை
சூப்பர்நோவா வெடிப்புக்குப் பிறகு ஒரு பிரம்மாண்டமான நட்சத்திரத்தின் மையப்பகுதி சிதைவடைவதால் உருவாகும் இவற்றின் நிறைகள், பொதுவாக சூரியனின் நிறையை விடப் பல முதல் பத்து மடங்கு வரை இருக்கும்.
2. மீப்பெரும் கருந்துளை
பால்வழி (தனுசு A) உட்பட விண்மீன் திரள்களின் மையத்தில் அமைந்துள்ளன. அவற்றின் நிறைகள் சூரியனின் நிறையை விட மில்லியன் முதல் பில்லியன் கணக்கான மடங்கு அதிகம். அவற்றின் உருவாக்க வழிமுறைகள் இன்னும் ஆய்வு செய்யப்பட்டு வருகின்றன; பல பில்லியன் ஆண்டுகளாக எண்ணற்ற கருந்துளைகள் இணைந்ததன் மூலமும், பொருள்கள் ஒன்றுசேர்ந்ததன் மூலமும் அவை உருவாகியிருக்கலாம்.
3. இடைநிலை நிறை கருந்துளைகள்
அவற்றின் நிறைகள் நூற்றுக்கணக்கான சூரிய நிறைகள் முதல் நூறாயிரக்கணக்கான சூரிய நிறைகள் வரை இருக்கும். அவற்றின் இருப்புக்கான சான்றுகள் அதிகரித்து வருகின்றன, ஆனால் அவற்றின் இனத்தொகை இன்னும் முழுமையாகப் படமாக்கப்படவில்லை.
4. ஆதி கருந்துளைகள் (கருதுகோள்)
இது பிரபஞ்சத்தின் தொடக்க காலத்தில், மிக அதிக அடர்த்தி ஏற்ற இறக்கங்களால் உருவானதாகக் கருதப்படுகிறது. இதன் இருப்பு இன்னும் நிரூபிக்கப்படவில்லை, ஆனால் இது அண்டவியல் துறையில் அடிக்கடி விவாதிக்கப்படுகிறது மற்றும் ஒரு சாத்தியமான கருதுகோளாகவும் உள்ளது. இருண்ட பொருள்.
5. சுற்றுச்சூழலில் கருந்துளைகளின் தாக்கம்: திரள்வு மற்றும் வட்டுகள்
கருந்துளைகள் தாமாகவே ஒளியை உமிழாவிட்டாலும், அவற்றின் சுற்றுப்புறம் நம்பமுடியாத அளவிற்குப் பிரகாசமாக இருக்கும். வாயுக்களும் தூசியும் கருந்துளையை நோக்கி விழும்போது, அந்தப் பொருட்கள் பெரும்பாலும் ஒரு திரள்வட்டை உருவாக்குகின்றன. அதன் வேகமான சுழல் இயக்கத்தால் ஏற்படும் உராய்வும் வெப்பமும், இந்தத் திரள்வட்டை மிகப்பெரிய அளவிலான ஆற்றலை, முதன்மையாக எக்ஸ்-கதிர்களின் வடிவில், உமிழச் செய்கின்றன.
செயலில் உள்ள மீப்பெரும் கருந்துளைகளில், திரள்வட்டுக்கள் பிரபஞ்சத்தின் மிகவும் பிரகாசமான பொருட்களில் சிலவான குவாசர்களை உருவாக்க முடியும். மேலும், சில கருந்துளைகள் சார்பியல் ஜெட்களை வெளியிடுகின்றன; இவை, கருந்துளையின் துருவங்களிலிருந்து ஏறக்குறைய ஒளி வேகத்தில் வெளியேறும் உயர் ஆற்றல் துகள்களின் ஜெட்கள் ஆகும். இந்த ஜெட்கள் விண்மீன்களுக்கு இடையேயான ஊடகத்துடன் இடைவினை புரிகின்றன மற்றும் விண்மீன் திரள்களின் பரிணாம வளர்ச்சியில் தாக்கத்தை ஏற்படுத்தக்கூடும்.
6. ஒரு கருந்துளைக்கு அருகில் காலத்தின் சார்பியல்
பொது சார்பியல் கோட்பாட்டின் மிகவும் சுவாரஸ்யமான கணிப்புகளில் ஒன்று ஈர்ப்பு நேர நீட்சி ஆகும். ஈர்ப்புப் புலம் எவ்வளவு வலிமையாக இருக்கிறதோ , அவ்வளவு மெதுவாகவே நேரம் கடந்து செல்கிறது (இரு பார்வையாளர்களுக்கு இடையிலான விகிதத்தின் அடிப்படையில்). நிகழ்வு எல்லைக்கு அருகில், இந்த விளைவு குறிப்பாக உச்சநிலையை அடைகிறது.
தொலைவில் உள்ள ஒரு பார்வையாளருக்கு, ஒரு கருந்துளையை நோக்கி விழும் ஒரு பொருள், நிகழ்வு எல்லையை நெருங்கும் போது வேகம் குறைந்து "உறைந்து" போவது போல் தோன்றும்; அதன் ஒளி சிவப்பாகவும் (சிவப்புப் பெயர்ச்சி அடைந்து) மங்கலாகவும் மாறும். இருப்பினும், விழும் அந்தப் பொருளைப் பொறுத்தவரை (உள்ளூர் சட்டகத்தில்), அது ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்குள் நிகழ்வு எல்லையைக் கடந்து, எந்தவொரு உள்ளூர் "கால நிறுத்தத்தையும்" அனுபவிக்காமல் மையத்தை நோக்கித் தொடர்ந்து செல்கிறது. பார்வைக்கோணத்தில் உள்ள இந்த வேறுபாடு ஒரு முரண்பாடல்ல, மாறாக அது வெளி-காலத்தின் சார்பியல் கட்டமைப்பின் ஒரு விளைவாகும்.
7. ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு: கருந்துளைகள் “ஆவியாகி” விடலாம்.
1970-களில், ஸ்டீபன் ஹாக்கிங் குவாண்டம் இயக்கவியல் கோட்பாடுகளை நிகழ்வு எல்லைக்கு அருகிலுள்ள வெளி-காலத்துடன் இணைத்து, கருந்துளைகள் வெப்பக் கதிர்வீச்சை வெளியிட வேண்டும் என்பதைக் கண்டுபிடித்தார்; இது இப்போது ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு என்று அழைக்கப்படுகிறது. எளிமையாகச் சொன்னால், வெற்றிடத்தில் ஏற்படும் குவாண்டம் ஏற்ற இறக்கங்கள் துகள்-எதிர்த்துகள் இணைகளை உருவாக்க முடியும். அவற்றில் ஒன்று கருந்துளைக்குள் விழுந்து மற்றொன்று தப்பித்தால், தொலைவில் உள்ள ஒரு பார்வையாளரின் கண்ணோட்டத்தில், அந்தக் கருந்துளை அந்தத் துகளை வெளியிடுகிறது.
இதன் விளைவு வியப்பளிக்கிறது: கருந்துளைகள் மெதுவாக நிறையை இழந்து இறுதியில் ஆவியாகலாம். இருப்பினும், விண்மீன் நிறை அல்லது மீப்பெரும் நிறை கொண்ட கருந்துளைகளைப் பொறுத்தவரை, இந்த ஆவியாதல் விகிதம் மிகவும் சிறியது—பெரும்பாலான சந்தர்ப்பங்களில் திரள்வுச் செயல்முறையை விட இது மிகவும் குறைவு. சிறிய (கருதுகோள்) கருந்துளைகளுக்கு ஹாக்கின் கதிர்வீச்சு குறிப்பாக முக்கியமானது, ஏனெனில் கருந்துளையின் நிறை எவ்வளவு குறைவாக இருக்கிறதோ, அவ்வளவு அதிகமாக அதன் கதிர்வீச்சின் வெப்பநிலை இருக்கும்.
8. கருந்துளைகள் இருப்பதற்கான சான்றுகள்
கருந்துளைகள் நேரடியாக ஒளியை உமிழாததால், அவற்றின் இருப்புக்கான சான்றுகள், ஈர்ப்பு விசை மற்றும் சுற்றியுள்ள பொருட்களிலிருந்து வெளிப்படும் கதிர்வீச்சின் விளைவுகளிலிருந்து கிடைக்கின்றன. இதற்கான சில முக்கிய சான்றுகள் பின்வருமாறு:
விண்மீன் மண்டலத்தின் மையத்தைச் சுற்றி நட்சத்திரங்களின் இயக்கம்:
தனுசு A நட்சத்திரத்திற்கு அருகிலுள்ள நட்சத்திரங்களின் சுற்றுப்பாதைகளைக் கண்காணித்ததில், ஒரு மீப்பெரும் கருந்துளைக்கு ஒத்த, மிகவும் அடர்த்தியான, பெரிய நிறை ஒன்று இருப்பதைக் காட்டுகிறது.
– இரட்டை நட்சத்திர அமைப்புகளும் எக்ஸ்-கதிர்களும்:
ஒரு நட்சத்திரம், கண்ணுக்குப் புலப்படாத மிகப் பெரிய பொருளைச் சுற்றி வரும்போது, அந்த நட்சத்திரத்திலிருந்து பொருள்கள் வெளியேறி ஒரு திரள்வட்டை உருவாக்கினால், வலிமையான எக்ஸ்-கதிர்களைக் கண்டறிய முடியும்.
– ஈர்ப்பு அலைகள்:
லைகோ மற்றும் விர்கோ உணரிகளால், ஒன்றிணையும் கருந்துளைகளிலிருந்து வரும் ஈர்ப்பு அலைகள் கண்டறியப்பட்டுள்ளன. இந்த சமிக்ஞைகள் பொது சார்பியல் கோட்பாட்டின் கணிப்புகளுடன் பொருந்துகின்றன.
– கருந்துளையின் நிழல் படம்:
நிகழ்வு எல்லைத் தொலைநோக்கி (EHT), M87 மற்றும் அதைத் தொடர்ந்து சாகிட்டேரியஸ் A விண்மீன் மண்டலங்களில் உள்ள ஒரு கருந்துளையின் "நிழலை" வெற்றிகரமாகப் புகைப்படம் எடுத்துள்ளது. இதில் தெரிவது கருந்துளை அல்ல, மாறாக, சுற்றியுள்ள சூடான வாயுக்களின் ஒளியின் பின்னணியில் தெரியும் நிகழ்வு எல்லையின் நிழல் உருவமே ஆகும்.
9. விடைதெரியா கேள்விகள்: தகவல் மற்றும் குவாண்டம் ஈர்ப்பு
கருந்துளைகள் அடிப்படைச் சிக்கல்களையும் ஏற்படுத்துகின்றன, அவற்றுள் ஒன்று தகவல் முரண்பாடு ஆகும். குவாண்டம் இயக்கவியலில், ஒரு அமைப்பின் நிலை குறித்த தகவல் இழக்கப்படக்கூடாது. இருப்பினும், ஒரு கருந்துளை தோற்றத்தில் சீரற்ற ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு மூலம் ஆவியானால், ஒரு காலத்தில் அதில் விழுந்த பொருளைப் பற்றிய தகவல் எங்கே செல்லும்? இந்த விவாதம், சரக் கோட்பாடு , ஹாலோகிராபி மற்றும் நிகழ்வு எல்லையில் தகவல் ஏதேனும் ஒரு வடிவத்தில் சேமிக்கப்படலாம் என்ற கருத்து ஆகியவற்றின் வளர்ச்சிகளுக்கு வித்திட்டுள்ளது.
முடிவுரை
கருந்துளைகள் விசித்திரமான வானியல் பொருள்கள் மட்டுமல்ல, அவை நவீன இயற்பியலின் இரண்டு தூண்களான பொது சார்பியல் மற்றும் குவாண்டம் இயக்கவியல் ஆகியவற்றின் சந்திப்புப் புள்ளியாகவும் உள்ளன. நிகழ்வு எல்லைகள் மற்றும் கால நீட்சி முதல் பிரகாசமான திரள்வட்டுக்கள் மற்றும் நுட்பமான ஹாக்கிங் கதிர்வீச்சு வரை, நமது கோட்பாடுகளின் எல்லைகளில் பிரபஞ்சம் எவ்வாறு இயங்க முடியும் என்பதை கருந்துளைகள் நிரூபிக்கின்றன. ஈர்ப்பு அலைகளின் அவதானிப்புகள், உயர்-தெளிவுத்திறன் தொலைநோக்கிகள் மற்றும் குவாண்டம் ஈர்ப்பு விசையின் வளர்ச்சி ஆகியவற்றின் மூலம் கருந்துளைகள் மீதான ஆராய்ச்சி தொடர்ந்து முன்னேறி வருகிறது. இது, பிரபஞ்சத்தின் மிகப்பெரிய மர்மங்களில் ஒன்று மெதுவாக நன்கு புரிந்து கொள்ளப்படலாம் என்ற நம்பிக்கையை அளிக்கிறது.
