Шарҳи физикии сӯрохиҳои сиёҳ
Сӯрохи сиёҳ яке аз экстремисттарин объектҳо дар коинот аст: минтақаи фазо-замонӣ бо чунон ҷозибаи шадид, ки ҳеҷ чиз - ҳатто рӯшноӣ - наметавонад аз нуқтаи муайян берун равад. Гарчанде ки онҳо метавонанд ба монанди "сӯрохиҳо"-и кушода дар фазо садо диҳанд, сӯрохиҳои сиёҳ дар асл фазои холӣ нестанд, балки натиҷаи тамаркузи масса/энергия дар ҳаҷми хеле хурд мебошанд. Дар физикаи муосир, сӯрохиҳои сиёҳ ҳамчун озмоишгоҳҳои табиӣ барои санҷиши назарияи нисбии умумӣ, механикаи квантӣ ва фаҳмиши мо дар бораи фазо ва вақт хизмат мекунанд.
1. Пайдоиши мафҳуми сӯрохиҳои сиёҳ
Фикри объектҳо бо қувваи ҷозибаи бузург ба асри 18 рост меояд. Аммо, фаҳмиши мустаҳками физика танҳо пас аз он пайдо шуд, ки Алберт Эйнштейн назарияи умумии нисбии худро дар соли 1915 таҳия кард. Дар назарияи нисбии умумӣ, ҷозиба на ҳамчун қувваи оддии ҷозиба, балки ҳамчун каҷравии фазо-вақт, ки аз ҷониби масса ва энергия ба вуҷуд омадааст, баррасӣ мешавад. Агар объект хеле калон ва зич бошад, каҷравии фазо-вақт дар атрофи он хеле тез мешавад.
Соли 1916, Карл Шварцшилд аввалин ҳалли математикии муодилаҳои Эйнштейнро барои массаи курашакли ғайригардишкунанда кашф кард. Ин ҳалли масъала радиуси мушаххасеро пешгӯӣ мекард, ки дар сурати мавҷуд будани масса, "уфуқи рӯйдодҳо" ба вуҷуд меояд. Ин мафҳум баъдтар ба фаҳмиши муосири сӯрохиҳои сиёҳ табдил ёфт.
2. Уфуқи рӯйдодҳо: сарҳади "бебозгашт"
Калиди сӯрохи сиёҳ уфуқи рӯйдодҳо аст, сатҳи тахайюлӣ, ки марзеро нишон медиҳад, ки суръати фирор ба суръати рӯшноӣ баробар аст. Дар физикаи классикӣ, суръати фирор ҳадди ақали суръатест, ки дар он объект метавонад аз таъсири ҷозиба бе он ки ба сӯрохии он баргардад, халос шавад. Дар Замин, он тақрибан 11,2 км/с аст. Аммо, агар объект хеле вазнин бошад ва радиуси хеле хурд дошта бошад, суръати фирори он метавонад аз суръати рӯшноӣ зиёдтар бошад.
Азбаски, мувофиқи назарияи нисбии махсус ва умумӣ, рӯшноӣ ҳадди ниҳоии суръат барои иттилоот ва материя аст, ҳар чизе, ки аз уфуқи рӯйдодҳо мегузарад, наметавонад сигналро баргардонад. Аз ин рӯ, сӯрохиҳои сиёҳ "сиёҳ" ба назар мерасанд: рӯшноие, ки ворид мешавад, наметавонад аз он берун равад, аз ин рӯ, ҳеҷ рӯшноие, ки ба нозир бармегардад, инъикос намешавад.
Аз ҷиҳати математикӣ, барои сӯрохи сиёҳи Шварцшильд, радиуси уфуқи рӯйдодҳои он радиуси Шварцшильд номида мешавад:
rₛ = 2GM / c²
ди мана:
– G доимии ҷозиба аст,
– M массаи ашё,
-c суръати рӯшноӣ.
Ҳар қадар масса калонтар бошад, rₛ ҳамон қадар калонтар аст. Ҷолиб он аст, ки сӯрохиҳои сиёҳ набояд "хурд" бошанд; сӯрохиҳои сиёҳи хеле вазнин уфуқҳои рӯйдодҳо доранд, ки метавонанд аз мадори сайёраҳо калонтар бошанд.
3. Сингулярӣ: нуқтаи экстремӣ дар модели нисбият
Дар маркази сӯрохи сиёҳ, назарияи нисбии умумӣ сингуляриятро пешгӯӣ мекунад, минтақае, ки дар он каҷравии фазо-замонӣ аз ҷиҳати математикӣ беохир мешавад ва зичии масса беохир ба назар мерасад. Аммо, бисёре аз физикҳо сингуляриятро ҳамчун нишонаи нопурра будани назария (нисбияти умумӣ) барои чунин шароити шадид мебинанд.
Ин ҷоест, ки зарурати назарияи ҷозибаи квантӣ ба миён меояд: омезиши назарияи нисбии умумӣ ва механикаи квантӣ, ки метавонад он чизеро, ки дар миқёси хеле хурд ва энергетикӣ рух медиҳад, шарҳ диҳад. То имрӯз, сингуляриятҳо як саволи амиқ боқӣ мемонанд - оё онҳо воқеан аз ҷиҳати ҷисмонӣ вуҷуд доранд ё танҳо артефактҳои моделҳои математикӣ мебошанд, ки аз доираи онҳо берун мераванд.
4. Намудҳои сӯрохиҳои сиёҳ
Умуман, сӯрохиҳои сиёҳ аз рӯи масса ва раванди ташаккулёбии онҳо фарқ мекунанд.
1. Сӯрохи сиёҳи ситораӣ
Массаи онҳо, ки аз фурӯпошии ядрои ситораи азим пас аз таркиши супернова ба вуҷуд омадаанд, одатан аз чанд то даҳҳо маротиба аз массаи Офтоб зиёдтар аст.
2. Сӯрохи сиёҳи азим
Дар маркази галактикаҳо, аз ҷумла Роҳи Каҳкашон (Қавс A) ҷойгир аст. Массаи онҳо аз миллионҳо то миллиардҳо маротиба аз массаи Офтоб зиёдтар аст. Механизмҳои ташаккули онҳо то ҳол омӯхта мешаванд; эҳтимолан онҳо тавассути якҷояшавии сӯрохиҳои сиёҳи сершумор ва ҷамъшавии моддаҳо дар тӯли миллиардҳо сол ба вуҷуд омадаанд.
3. Сӯрохиҳои сиёҳи дорои массаи миёна
Массаи онҳо аз садҳо то садҳо ҳазор массаи офтобӣ аст. Далелҳо барои вуҷуди онҳо афзоиш меёбанд, аммо шумораи аҳолии онҳо хуб харита нашудааст.
4. Сӯрохиҳои сиёҳи ибтидоӣ (фарзиявӣ)
Гумон меравад, ки он дар коиноти ибтидоӣ аз сабаби ноустувории зичии хеле баланд ташаккул ёфтааст. Мавҷудияти он исбот нашудааст, аммо он аксар вақт дар космология баррасӣ мешавад ва номзади материяи торик аст.
5. Таъсири сӯрохиҳои сиёҳ ба муҳити зист: ҷамъшавӣ ва дискҳо
Гарчанде ки худи сӯрохиҳои сиёҳ нур намебароранд, муҳити онҳо метавонад бениҳоят равшан бошад. Вақте ки газ ва чанг ба сӯи сӯрохи сиёҳ меафтанд, мавод аксар вақт диски аккретсионӣ ташкил медиҳад. Соиш ва гармӣ, ки дар натиҷаи ҳаракати босуръати спиралӣ ба вуҷуд меояд, боиси он мегардад, ки ин диск миқдори зиёди энергияро, асосан дар шакли нурҳои рентгенӣ, хориҷ кунад.
Дар сӯрохиҳои сиёҳи фавқуттаассивии фаъол, дискҳои аккретсионӣ метавонанд квазарҳоро ба вуҷуд оранд - баъзе аз дурахшонтарин ашё дар коинот. Ғайр аз ин, баъзе сӯрохиҳои сиёҳ ҷараёнҳои релятивистӣ, ҷараёнҳои зарраҳои баландэнергияро, ки аз қутбҳои сӯрохи сиёҳ бо суръати наздик ба рӯшноӣ мепаранд, хориҷ мекунанд. Ин ҷараёнҳо бо муҳити байниситоравӣ ҳамкорӣ мекунанд ва метавонанд ба эволютсияи галактикаҳо таъсир расонанд.
6. Нисбии вақт дар наздикии сӯрохи сиёҳ
Яке аз пешгӯиҳои ҷолибтарини назарияи нисбии умумӣ васеъшавии вақти ҷозиба мебошад. Ҳар қадар майдони ҷозиба қавитар бошад, дар муқоиса бо минтақаҳое, ки ҷозибаи онҳо заифтар аст (аз ҷиҳати таносуби байни ду нозир), вақт ҳамон қадар сусттар мегузарад. Дар наздикии уфуқи рӯйдодҳо, ин таъсир махсусан шадидтар мешавад.
Барои як нозири дур, объекте, ки ба сӯи сӯрохи сиёҳ меафтад, ҳангоми наздик шудан ба уфуқи ҳодисаҳо суст мешавад ва "ях мешавад", нури он сурхтар (сурхгард) ва хиратар мешавад. Аммо, барои худи объекти афтида (дар чаҳорчӯбаи маҳаллӣ), он дар вақти маҳдуд аз уфуқи ҳодиса мегузарад ва сипас ба сӯи марказ идома меёбад, бе ягон "истгоҳи вақт"-и маҳаллӣ. Ин фарқият дар дурнамо зиддият нест, балки натиҷаи сохтори нисбии фазо-вақт аст.
7. Радиатсияи Хокинг: сӯрохиҳои сиёҳ метавонанд «бухор шаванд»
Дар солҳои 1970-ум, Стивен Ҳокинг мафҳумҳои механикаи квантиро бо фазо-вақт дар наздикии уфуқи ҳодисаҳо муттаҳид кард ва кашф кард, ки сӯрохиҳои сиёҳ бояд радиатсияи гармиро, ки ҳоло бо номи радиатсияи Ҳокинг маълум аст, паҳн кунанд. Ба таври оддӣ, ноустувории квантӣ дар вакуум метавонад ҷуфтҳои зарра-зиддизарраҳоро ба вуҷуд орад. Агар яке ба сӯрохи сиёҳ афтад ва дигаре фирор кунад, пас аз нуқтаи назари нозири дур, сӯрохи сиёҳ зарраро паҳн мекунад.
Натиҷа ҳайратовар аст: сӯрохиҳои сиёҳ метавонанд оҳиста-оҳиста массаро аз даст диҳанд ва дар ниҳоят бухор шаванд. Аммо, барои сӯрохиҳои сиёҳи ситораӣ ё супермассивӣ, ин суръати бухоршавӣ хеле хурд аст - дар аксари мавридҳо аз раванди аккреция хеле хурдтар аст. Радиатсияи Хокинг махсусан барои сӯрохиҳои сиёҳи хурд (фарзиявӣ) муҳим аст, зеро ҳар қадар массаи сӯрохи сиёҳ хурдтар бошад, ҳарорати радиатсияи он ҳамон қадар баландтар аст.
8. Далелҳои мавҷудияти сӯрохиҳои сиёҳ
Азбаски сӯрохиҳои сиёҳ мустақиман рӯшноӣ намебароранд, далелҳои мавҷудияти онҳо аз таъсири ҷозиба ва радиатсияи моддаҳои атроф бармеоянд. Баъзе аз далелҳои асосӣ инҳоянд:
– Ҳаракати ситорагон дар атрофи маркази галактика:
Мушоҳидаҳои мадори ситорагон дар наздикии Қавс А мавҷудияти массаи хеле фишурда ва калонро нишон медиҳанд, ки бо сӯрохи сиёҳи хеле вазнин мувофиқат мекунад.
– Системаҳои ситораҳои дуӣ ва рентгенҳо:
Агар ситора дар атрофи як объекти хеле бузурги ноаён давр занад ва мавод аз ситора берун рафта, диски аккретсионӣ ташкил диҳад, нурҳои рентгении қавӣ метавонанд ошкор карда шаванд.
– Мавҷҳои гравитатсия:
Детекторҳои LIGO ва Virgo мавҷҳои ҷозибаро аз сӯрохиҳои сиёҳи муттаҳидшуда мушоҳида карданд. Ин сигналҳо бо пешгӯиҳои назарияи умумии нисбият мувофиқат мекунанд.
– Тасвири сояи сӯрохи сиёҳ:
Телескопи Event Horizon (EHT) бомуваффақият "сояи" сӯрохи сиёҳро дар галактикаи M87 ва сипас Қавс А-ро аксбардорӣ кардааст. Он чизе ки намоён аст, худи сӯрохи сиёҳ нест, балки силуэти уфуқи рӯйдодҳо дар муқобили нури гази гарми атроф аст.
9. Саволҳои кушода: иттилоот ва ҷозибаи квантӣ
Сӯрохиҳои сиёҳ инчунин мушкилоти асосиро ба вуҷуд меоранд, ки яке аз онҳо парадокси иттилоот аст. Дар механикаи квантӣ, маълумот дар бораи ҳолати система набояд гум шавад. Аммо, агар сӯрохи сиёҳ тавассути радиатсияи тасодуфии Хокинг бухор шавад, маълумот дар бораи материяе, ки як вақтҳо ба он афтода буд, ба куҷо меравад? Ин баҳс таҳаввулотро дар назарияи сатрҳо, голография ва идеяи он, ки маълумот метавонад дар уфуқи рӯйдодҳо ба ягон шакл нигоҳ дошта шавад, афзоиш додааст.
Хулоса
Сӯрохиҳои сиёҳ на танҳо объектҳои астрономии экзотикӣ, балки нуқтаи чорроҳаи ду рукни физикаи муосир мебошанд: назарияи нисбияти умумӣ ва механикаи квантӣ. Аз уфуқҳои рӯйдодҳо ва васеъшавии вақт то дискҳои дурахшони аккретсионӣ ва радиатсияи нозуки Хокинг, сӯрохиҳои сиёҳ нишон медиҳанд, ки чӣ гуна коинот метавонад дар ҳудуди назарияҳои мо кор кунад. Таҳқиқот дар бораи сӯрохиҳои сиёҳ тавассути мушоҳидаҳои мавҷҳои ҷозиба, телескопҳои баландсифат ва рушди ҷозибаи квантӣ идома дорад ва умед мебахшад, ки яке аз бузургтарин асрори кайҳон метавонад оҳиста-оҳиста беҳтар дарк карда шавад.
