Қазіргі ғалымдар үшін қара құрдым – біздің ғаламдағы ең жұмбақ құбылыстардың бірі. Мұндай объектілерді зерттеу қиын, оларды «тәжірибе бойынша» сынап көру мүмкін емес. Қара құрдым затының массасы, тығыздығы, осы нысанның қалыптасу процестері, өлшемдері – мұның бәрі мамандардың қызығушылығын тудырады, ал кейде – таң қалдырады. Тақырыпты толығырақ қарастырайық. Алдымен, мұндай нысанның не екенін талдап көрейік.
Жалпы ақпарат
Ғарыштық нысанның таңғажайып ерекшелігі – кіші радиустың, қара құрдым материясының жоғары тығыздығының және керемет үлкен массаның үйлесуі. Мұндай объектінің барлық қазіргі уақытта белгілі физикалық қасиеттері ғалымдарға оғаш болып көрінеді, көбінесе түсініксіз. Тіпті ең тәжірибелі астрофизиктердің өзі мұндай құбылыстардың ерекшеліктеріне әлі күнге дейін таң қалдырады. Ғалымдарға қара тесікті анықтауға мүмкіндік беретін басты белгі – оқиға көкжиегі, яғни шекараештеңе қайтып келмейді, соның ішінде жарық. Егер аймақ біржола бөлінген болса, бөлу шекарасы оқиғалар көкжиегі ретінде белгіленеді. Уақытша бөліну кезінде көрінетін көкжиектің болуы бекітіледі. Кейде уақытша өте бос ұғым, яғни аймақ ғаламның қазіргі жасынан асатын кезеңге бөлінуі мүмкін. Ұзақ уақыт бойы көрінетін көкжиек болса, оны оқиға көкжиегінен ажырату қиын.
Көп жағдайда қара құрдымның қасиеттері, оны құрайтын заттың тығыздығы біздің әлемдік заңдарымызда әрекет ететін басқа физикалық қасиеттерге байланысты. Сфералық симметриялы қара құрдымның оқиға горизонты диаметрі оның массасы арқылы анықталатын шар болып табылады. Неғұрлым көп масса ішке тартылса, соғұрлым тесік үлкенірек болады. Дегенмен, ол жұлдыздардың фонында таңқаларлықтай кішкентай болып қалады, өйткені гравитациялық қысым ішіндегі барлық нәрсені қысады. Егер массасы біздің планетамызға сәйкес келетін тесікті елестетсек, онда мұндай нысанның радиусы бірнеше миллиметрден аспайды, яғни ол жерден он миллиардқа аз болады. Радиус Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының шешімі ретінде қара тесіктерді алғаш рет шығарған ғалым Шварцшильдтің құрметіне аталды.
Ал ішінде?
Мұндай затқа түскен адам өз бойындағы үлкен тығыздықты байқамауы екіталай. Қара құрдымның қасиеттері не болатынына сенімді болу үшін жақсы түсінілмейді, бірақ ғалымдар көкжиектен өткенде ерекше ештеңені анықтау мүмкін емес деп санайды. Бұл эквивалентті Эйнштейнмен түсіндіріледігоризонттың қисаюын құрайтын өріс пен жазықтыққа тән үдеу бақылаушы үшін неге ерекшеленбейтінін түсіндіретін принцип. Алыстан өту процесін бақылағанда, бұл жерде уақыт баяу өтіп жатқандай, нысанның көкжиекке жақын жерде баяулай бастағанын көруге болады. Біраз уақыттан кейін нысан көкжиектен өтіп, Шварцшильд радиусына түседі.
Қара құрдымдағы заттың тығыздығы, заттың массасы, оның өлшемдері мен толқындық күштері және тартылыс өрісі бір-бірімен тығыз байланысты. Радиус неғұрлым үлкен болса, тығыздық соғұрлым төмен болады. Радиус салмақпен артады. Толқындық күштер квадраттық салмаққа кері пропорционал, яғни өлшемдер ұлғайып, тығыздық азайған сайын объектінің толқындық күштері азаяды. Нысанның массасы өте үлкен болса, бұл фактіні байқамай тұрып көкжиекті еңсеруге болады. Жалпы салыстырмалық теориясының алғашқы күндерінде көкжиекте ерекшелік бар деп есептелді, бірақ олай емес болып шықты.
Тығыздық туралы
Зерттеулер көрсеткендей, қара құрдымның тығыздығы массасына байланысты көп немесе аз болуы мүмкін. Әртүрлі нысандар үшін бұл көрсеткіш өзгереді, бірақ радиустың өсуімен әрқашан азаяды. Материалдың жинақталуына байланысты экстенсивті түрде қалыптасатын супермассивті тесіктер пайда болуы мүмкін. Орташа алғанда, массасы жүйеміздегі бірнеше миллиард шамдардың жалпы массасына сәйкес келетін мұндай объектілердің тығыздығы судың тығыздығынан аз. Кейде ол газ тығыздығының деңгейімен салыстырылады. Бұл нысанның толқындық күші бақылаушы көкжиектен өткеннен кейін белсендіріледіоқиғалар. Гипотетикалық зерттеуші көкжиекке жақындаған кезде зардап шекпейді және диск плазмасынан қорғаныс тапса, мыңдаған километрге құлап кетер еді. Бақылаушы артына қарамаса, көкжиектің қиылысып кеткенін байқамайды, ал басын бұрса, көкжиекте қатып қалған жарық сәулелерін көруі мүмкін. Бақылаушы үшін уақыт өте баяу өтеді, ол саңылау маңындағы оқиғаларды өлім сәтіне дейін бақылай алады - ол не Ғалам.
Аса массивті қара құрдымның тығыздығын анықтау үшін оның массасын білу керек. Осы шаманың мәнін және ғарыш объектісіне тән Шварцшильд көлемін табыңыз. Орташа алғанда, астрофизиктердің пікірінше, мұндай көрсеткіш өте аз. Жағдайлардың әсерлі пайызында ол ауа тығыздығы деңгейінен аз. Бұл құбылыс келесідей түсіндіріледі. Шварцшильд радиусы салмаққа тікелей байланысты, ал тығыздық көлемге кері байланысты, демек Шварцшильд радиусы. Көлем текше радиусқа тікелей байланысты. Масса сызықты түрде артады. Тиісінше, көлем салмаққа қарағанда жылдамырақ өседі, ал орташа тығыздық кішірейеді, зерттелетін нысанның радиусы соғұрлым үлкен болады.
Білгім келеді
Тесікке тән толқындық күш – тартылыс күшінің градиенті, ол көкжиекте айтарлықтай үлкен, сондықтан тіпті фотондар да бұл жерден шыға алмайды. Бұл ретте параметрдің ұлғаюы бірқалыпты жүреді, бұл бақылаушыға өзіне қауіп төндірмей көкжиектен өтуге мүмкіндік береді.
Қара тесіктің тығыздығын зерттеунысанның ортасы әлі де салыстырмалы түрде шектелген. Астрофизиктер орталық сингулярлық неғұрлым жақын болса, тығыздық деңгейі соғұрлым жоғары болатынын анықтады. Жоғарыда айтылған есептеу механизмі не болып жатқаны туралы өте орташа түсінік алуға мүмкіндік береді.
Тесікте не болып жатқаны, оның құрылымы туралы ғалымдардың түсініктері өте шектеулі. Астрофизиктердің пікірінше, тесіктегі тығыздықтың таралуы сыртқы бақылаушы үшін, кем дегенде, қазіргі деңгейде өте маңызды емес. Гравитацияның, салмақтың әлдеқайда ақпараттық сипаттамасы. Массасы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым күшті орталық, көкжиек бір-бірінен бөлінеді. Сондай-ақ мұндай болжамдар бар: көкжиектен тыс жерде зат негізінен жоқ, оны тек объектінің тереңдігінде ғана анықтауға болады.
Белгілі сандар бар ма?
Ғалымдар қара құрдымның тығыздығы туралы көптен бері ойлап жүрген. Белгілі бір зерттеулер жүргізілді, есептеу әрекеттері жасалды. Міне солардың бірі.
Күн массасы 210^30 кг. Күннен бірнеше есе үлкен нысанның орнында тесік пайда болуы мүмкін. Ең жеңіл тесіктің тығыздығы орташа есеппен 10^18 кг/м3 деп есептеледі. Бұл атом ядросының тығыздығынан жоғары шама реті. Нейтрондық жұлдызға тән орташа тығыздық деңгейінен шамамен бірдей айырмашылық.
Өлшемдері субядролық бөлшектерге сәйкес келетін өте жеңіл тесіктердің болуы мүмкін. Мұндай нысандар үшін тығыздық индексі өте үлкен болады.
Егер планетамыз тесікке айналса, оның тығыздығы шамамен 210^30 кг/м3 болады. Алайда ғалымдардың қолынан келмедіБіздің ғарыш үйіміз қара дырға айналуы мүмкін процестерді ашыңыз.
Толығырақ сандар туралы
Құс жолының орталығындағы қара құрдымның тығыздығы 1,1 млн кг/м3 деп бағаланады. Бұл нысанның массасы 4 миллион күн массасына сәйкес келеді. Шұңқырдың радиусы 12 миллион км-ге бағаланады. Құс жолының орталығындағы қара құрдымның көрсетілген тығыздығы аса массивті саңылаулардың физикалық параметрлері туралы түсінік береді.
Егер қандай да бір заттың салмағы 10^38 кг болса, яғни ол шамамен 100 миллион Күн деп бағаланса, астрономиялық нысанның тығыздығы біздің планетамыздағы граниттің тығыздық деңгейіне сәйкес келеді.
Қазіргі астрофизиктерге белгілі барлық тесіктердің ішінде ең ауыр тесіктердің бірі OJ 287 квазарында табылды. Оның салмағы біздің жүйенің 18 миллиард шамына сәйкес келеді. Қара құрдымның тығыздығы қандай екенін ғалымдар көп қиындықсыз есептеп шығарды. Мән өте аз болып шықты. Ол небәрі 60 г/м3. Салыстыру үшін: планетамыздың атмосфералық ауасының тығыздығы 1,29 мг/м3.
Тесіктер қайдан пайда болады?
Ғалымдар біздің жүйенің жұлдызымен немесе басқа ғарыштық денелермен салыстырғанда қара құрдымның тығыздығын анықтау үшін зерттеулер жүргізіп қана қоймай, сонымен қатар саңылаулардың қайдан пайда болатынын, олардың пайда болу механизмдері қандай екенін анықтауға тырысты. жұмбақ нысандар. Енді тесіктердің пайда болуының төрт жолы туралы идея бар. Ең түсінікті нұсқа - жұлдыздың құлауы. Ол үлкен болған кезде ядродағы синтез аяқталады,қысым жоғалады, зат ауырлық центріне түседі, сондықтан тесік пайда болады. Орталыққа жақындаған сайын тығыздық артады. Ерте ме, кеш пе, индикатор соншалықты маңызды болады, сыртқы нысандар ауырлық күшінің әсерін жеңе алмайды. Осы сәттен бастап жаңа тесік пайда болады. Бұл түрі басқаларға қарағанда жиі кездеседі және ол күн массасының тесіктері деп аталады.
Тесіктердің тағы бір кең таралған түрі - аса массивті. Бұл галактикалық орталықтарда жиі байқалады. Жоғарыда сипатталған күн массасы тесігімен салыстырғанда нысанның массасы миллиардтаған есе үлкен. Ғалымдар мұндай объектілердің көріну процестерін әлі анықтаған жоқ. Жоғарыда сипатталған механизм бойынша алдымен тесік пайда болады деп болжанады, содан кейін көрші жұлдыздар сіңіріледі, бұл өсуге әкеледі. Бұл галактика зонасы тығыз қоныстанған жағдайда мүмкін. Заттың жұтылуы жоғарыда келтірілген схема түсіндіріп бергеннен жылдамырақ жүреді және ғалымдар сіңірудің қалай жүретінін әлі болжай алмайды.
Жорамалдар мен идеялар
Астрофизиктер үшін өте қиын тақырып – алғашқы тесіктер. Мұндай, мүмкін, кез келген массадан пайда болады. Олар үлкен тербелістерде қалыптасуы мүмкін. Мүмкін, мұндай тесіктердің пайда болуы ерте Әлемде болған. Әзірге қара тесіктердің қасиеттеріне, ерекшеліктеріне (соның ішінде тығыздығына), олардың пайда болу процестеріне арналған зерттеулер бірінші реттік тесіктің пайда болу процесін дәл қайталайтын модельді анықтауға мүмкіндік бермейді. Қазіргі уақытта белгілі модельдер негізінен, егер олар шын мәнінде жүзеге асырылса,тым көп тесіктер болады.
Үлкен адрон коллайдері массасы Хиггс бозонына сәйкес келетін тесік түзілу көзіне айналуы мүмкін делік. Тиісінше, қара құрдымның тығыздығы өте үлкен болады. Егер мұндай теория расталса, оны қосымша өлшемдердің болуының жанама дәлелі деп санауға болады. Қазіргі уақытта бұл алыпсатарлық тұжырым әлі расталған жоқ.
Тесіктен радиация
Тесік шығаруы материяның кванттық әсерлерімен түсіндіріледі. Кеңістік динамикалық, сондықтан мұндағы бөлшектер біз үйренгеннен мүлдем басқаша. Шұңқырдың жанында тек уақыт бұрмаланбайды; бөлшекті түсіну негізінен оны кім бақылайтынына байланысты. Егер біреу шұңқырға түсіп кетсе, оған ол вакуумға түсіп жатқандай көрінеді, ал алыстағы бақылаушы үшін бұл бөлшектерге толы аймақ сияқты көрінеді. Әсер уақыт пен кеңістіктің созылуымен түсіндіріледі. Шұңқырдан шыққан радиацияны алғаш рет Хокинг анықтады, оның атын құбылысқа берді. Радиация массаға кері байланысты температураға ие. Астрономиялық объектінің салмағы неғұрлым аз болса, соғұрлым температура жоғары болады (сонымен қатар қара құрдымның тығыздығы). Егер тесік супермассив болса немесе массасы жұлдызмен салыстырылатын болса, оның сәулеленуінің тән температурасы микротолқынды фоннан төмен болады. Осыған байланысты оны байқау мүмкін емес.
Бұл сәуле деректердің жоғалуын түсіндіреді. Бұл бір ерекше қасиеті бар жылулық құбылыстың атауы - температура. Зерттеу арқылы саңылаулардың пайда болу процестері туралы ақпарат жоқ, бірақ мұндай сәуле шығаратын объект бір уақытта массасын жоғалтады (сондықтан өседі.қара құрдымның тығыздығы) азаяды. Процесс саңылау пайда болған затпен анықталмайды, кейінірек оған не сорылғанына байланысты емес. Шұңқырдың негізі не болғанын ғалымдар айта алмайды. Сонымен қатар, зерттеулер сәулеленудің қайтымсыз процесс екенін, яғни кванттық механикада болуы мүмкін емес екенін көрсетті. Бұл сәулеленуді кванттық теориямен үйлестіруге болмайтынын білдіреді және сәйкессіздік осы бағытта одан әрі жұмысты қажет етеді. Ғалымдар Хокинг радиациясында ақпарат болуы керек деп есептегенімен, бізде оны анықтайтын құралдар мен мүмкіндіктер әлі жоқ.
Қызық: нейтрондық жұлдыздар туралы
Егер супер алып болса, мұндай астрономиялық дене мәңгілік дегенді білдірмейді. Уақыт өте келе ол өзгереді, сыртқы қабаттарды тастайды. Қалдықтардан ақ ергежейлілер шығуы мүмкін. Екінші нұсқа - нейтрондық жұлдыздар. Ерекше процестер бастапқы дененің ядролық массасымен анықталады. Егер ол 1,4-3 күн ішінде бағаланса, онда супергиганттың жойылуы өте жоғары қысыммен бірге жүреді, соның салдарынан электрондар протондарға қысылған сияқты. Бұл нейтрондардың пайда болуына, нейтринолардың шығарылуына әкеледі. Физикада бұл нейтрондық дегенеративті газ деп аталады. Оның қысымы жұлдыздың одан әрі жиырылуы мүмкін емес.
Алайда, зерттеулер көрсеткендей, барлық нейтрондық жұлдыздар осылай пайда болмаған шығар. Олардың кейбіреулері екінші супернова сияқты жарылған үлкендердің қалдықтары.
Том денесінің радиусымассасынан аз. Көпшілігі үшін ол 10-100 км аралығында өзгереді. Қара тесіктердің, нейтрондық жұлдыздардың тығыздығын анықтау үшін зерттеулер жүргізілді. Екіншісі үшін, сынақтар көрсеткендей, параметр атомдық параметрге салыстырмалы түрде жақын. Астрофизиктер белгілеген нақты сандар: 10^10 г/см3.
Білгім келеді: теория және практика
Нейтрондық жұлдыздар теорияда өткен ғасырдың 60-70-ші жылдарында болжанған. Пульсарлар бірінші болып табылды. Бұл кішкентай жұлдыздар, олардың айналу жылдамдығы өте жоғары, ал магнит өрісі шынымен де орасан зор. Пульсар бұл параметрлерді бастапқы жұлдыздан алады деп болжанады. Айналдыру кезеңі миллисекундтан бірнеше секундқа дейін өзгереді. Алғашқы белгілі пульсарлар мерзімді радио сәулелерін шығарды. Бүгінгі таңда рентгендік спектрдің сәулеленуі, гамма-сәулеленуі бар пульсарлар белгілі.
Сипатталған нейтрондық жұлдыз түзілу процесі жалғасуы мүмкін – оны тоқтататын ештеңе жоқ. Егер ядролық масса үш күн массасынан көп болса, онда нүктелік дене өте жинақы, оны саңылаулар деп атайды. Массасы критикалықдан үлкен қара құрдымның қасиеттерін анықтау мүмкін болмайды. Хокинг сәулеленуіне байланысты массаның бір бөлігі жоғалса, радиус бір уақытта азаяды, сондықтан салмақ мәні қайтадан осы нысан үшін сыни мәннен аз болады.
Тесік өлуі мүмкін бе?
Ғалымдар бөлшектер мен антибөлшектердің қатысуына байланысты процестердің болуы туралы болжамдарды алға тартты. Элементтердің ауытқуы бос кеңістікті сипаттауға әкелуі мүмкіннөлдік энергия деңгейі, ол (бұл жерде парадокс!) нөлге тең болмайды. Сонымен бірге, денеге тән оқиға көкжиегі абсолютті қара денеге тән төмен энергиялық спектрді алады. Мұндай сәулелену массаның жоғалуына әкеледі. Көкжиек сәл қысқарады. Бөлшектің екі жұбы және оның антагонисті бар делік. Бөлшектің бір жұптан, ал оның антагонисті екіншісінен жойылуы бар. Нәтижесінде тесіктен ұшатын фотондар пайда болады. Ұсынылған бөлшектердің екінші жұбы бір уақытта массаның, энергияның кейбір мөлшерін сіңіріп, тесікке түседі. Бұл бірте-бірте қара құрдымның өліміне әкеледі.
Қорытынды ретінде
Кейбірлердің пікірінше, қара дыры ғарыштық шаңсорғыштың бір түрі. Тесік жұлдызды жұтуы мүмкін, ол тіпті галактиканы «жеуі» мүмкін. Көптеген жолдармен, тесіктердің қасиеттерінің түсіндірмесі, сондай-ақ оның пайда болу ерекшеліктері салыстырмалылық теориясында кездеседі. Одан уақыттың кеңістік сияқты үздіксіз екені белгілі. Бұл қысу процестерін тоқтату мүмкін еместігін түсіндіреді, олар шексіз және шексіз.
Бұл астрофизиктердің он жылдан астам уақыт бойы миын қинап жүрген жұмбақ қара тесіктер.
