სამეცნიერო აზროვნება ზოგჯერ ისეთი პარადოქსული თვისებების მქონე ობიექტებს აშენებს, რომ ყველაზე გამჭრიახი მეცნიერებიც კი თავიდან უარს ამბობენ მათ აღიარებაზე. თანამედროვე ფიზიკის ისტორიაში ყველაზე თვალსაჩინო მაგალითია შავი ხვრელებისადმი ინტერესის გრძელვადიანი ნაკლებობა, გრავიტაციული ველის უკიდურესი მდგომარეობა, რომელიც იწინასწარმეტყველეს თითქმის 90 წლის წინ. დიდი ხნის განმავლობაში ისინი ითვლებოდნენ წმინდა თეორიულ აბსტრაქციად და მხოლოდ 1960-70-იან წლებში სჯეროდათ მათი რეალობის. თუმცა, შავი ხვრელების თეორიის ძირითადი განტოლება მიღებული იქნა ორასი წლის წინ.

ჯონ მიშელის გამჭრიახობა

ჯონ მიშელის სახელი, ფიზიკოსი, ასტრონომი და გეოლოგი, კემბრიჯის უნივერსიტეტის პროფესორი და ინგლისის ეკლესიის პასტორი, სრულიად დაუმსახურებლად დაიკარგა მე-18 საუკუნეში ინგლისური მეცნიერების ვარსკვლავებს შორის. მიშელმა საფუძველი ჩაუყარა სეისმოლოგიას, მიწისძვრების მეცნიერებას, ჩაატარა მაგნიტიზმის შესანიშნავ შესწავლა და დიდი ხნით ადრე, სანამ კულომმა გამოიგონა ბრუნვის ბალანსი, რომელსაც იყენებდა გრავიმეტრიული გაზომვებისთვის. 1783 წელს მან სცადა გაეერთიანებინა ნიუტონის ორი დიდი ქმნილება, მექანიკა და ოპტიკა. ნიუტონმა სინათლე მიიჩნია პაწაწინა ნაწილაკების ნაკადად. მიშელმა შესთავაზა, რომ მსუბუქი სხეულები, ისევე როგორც ჩვეულებრივი მატერია, ემორჩილებოდნენ მექანიკის კანონებს. ამ ჰიპოთეზის შედეგი აღმოჩნდა ძალიან არა ტრივიალური - ციური სხეულები შეიძლება იქცეს სინათლის ხაფანგად.

როგორ ფიქრობდა მიშელი? პლანეტის ზედაპირიდან ნასროლი ქვემეხი მთლიანად გადალახავს მის გრავიტაციას მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მისი საწყისი სიჩქარე გადააჭარბებს იმას, რასაც ახლა ეწოდება მეორე სივრცის სიჩქარე და გაქცევის სიჩქარე. თუ პლანეტის გრავიტაცია იმდენად ძლიერია, რომ გაქცევის სიჩქარე აღემატება სინათლის სიჩქარეს, ზენიტში ნასროლი სინათლის კორპუსები უსასრულობას ვერ აცილებენ. იგივე მოხდება არეკლილი სინათლით. ამიტომ, ძალიან შორეული დამკვირვებლისთვის პლანეტა უხილავი იქნება. მიშელმა გამოთვალა ასეთი პლანეტის, Rcr, რადიუსის კრიტიკული მნიშვნელობა, რაც დამოკიდებულია მის მასაზე, M, შემცირებული ჩვენი მზის მასამდე, Ms: Rcr = 3 კმ x M/Ms.

ჯონ მიშელს სჯეროდა მისი ფორმულების და თვლიდა, რომ კოსმოსის სიღრმეში იმალება მრავალი ვარსკვლავი, რომელთა დანახვა დედამიწიდან არცერთი ტელესკოპით შეუძლებელია. მოგვიანებით, დიდი ფრანგი მათემატიკოსი, ასტრონომი და ფიზიკოსი პიერ სიმონ ლაპლასი იმავე დასკვნამდე მივიდა და შეიტანა იგი როგორც პირველ (1796) ისე მეორე (1799) გამოცემაში „მსოფლიო სისტემის ექსპოზიცია“. მაგრამ მესამე გამოცემა გამოქვეყნდა 1808 წელს, როდესაც ფიზიკოსების უმეტესობა უკვე თვლიდა სინათლეს ეთერის ვიბრაციად. „უხილავი“ ვარსკვლავების არსებობა ეწინააღმდეგებოდა სინათლის ტალღის თეორიას და ლაპლასმა სჯობდა უბრალოდ არ ეხსენებინა ისინი. შემდგომ დროში ეს იდეა განიხილებოდა ცნობისმოყვარეობად, რომელიც მხოლოდ ფიზიკის ისტორიის ნაშრომებში იყო გამოვლენილი.

შვარცშილდის მოდელი

1915 წლის ნოემბერში ალბერტ აინშტაინმა გამოაქვეყნა გრავიტაციის თეორია, რომელსაც მან უწოდა ფარდობითობის ზოგადი თეორია (GR). ამ ნაშრომმა მაშინვე იპოვა მადლიერი მკითხველი ბერლინის მეცნიერებათა აკადემიის მისი კოლეგის კარლ შვარცშილდის სახით. ეს იყო შვარცშილდი, ვინც პირველმა გამოიყენა ფარდობითობის ზოგადი თეორია კონკრეტული ასტროფიზიკური პრობლემის გადასაჭრელად, გამოთვალა სივრცე-დროის მეტრიკა არამბრუნავი სფერული სხეულის გარეთ და შიგნით (კონკრეტულობისთვის ჩვენ მას ვარსკვლავს დავარქმევთ).

შვარცშილდის გამოთვლებიდან გამომდინარეობს, რომ ვარსკვლავის გრავიტაცია დიდად არ ამახინჯებს ნიუტონის სივრცისა და დროის სტრუქტურას მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მისი რადიუსი გაცილებით დიდია იმ მნიშვნელობაზე, რომელიც ჯონ მიშელმა გამოთვალა! ამ პარამეტრს ჯერ შვარცშილდის რადიუსი ეწოდა, ახლა კი გრავიტაციულ რადიუსს უწოდებენ. ზოგადი ფარდობითობის მიხედვით, გრავიტაცია არ მოქმედებს სინათლის სიჩქარეზე, მაგრამ ამცირებს სინათლის ვიბრაციის სიხშირეს იმავე პროპორციით, რომლითაც ის ანელებს დროს. თუ ვარსკვლავის რადიუსი 4-ჯერ მეტია გრავიტაციულ რადიუსზე, მაშინ მის ზედაპირზე დროის დინება შენელდება 15%-ით და სივრცე შესამჩნევ გამრუდებას იძენს. ორმაგი სიჭარბით ის უფრო იხრება და დრო 41%-ით ანელებს მის გაშვებას. როდესაც მიიღწევა გრავიტაციული რადიუსი, ვარსკვლავის ზედაპირზე დრო მთლიანად ჩერდება (ყველა სიხშირე ნულდება, გამოსხივება იყინება და ვარსკვლავი გადის), მაგრამ სივრცის გამრუდება ჯერ კიდევ სასრულია. მზისგან შორს, გეომეტრია კვლავ ევკლიდურია და დრო არ ცვლის მის სიჩქარეს.

იმისდა მიუხედავად, რომ მიშელისა და შვარცშილდის გრავიტაციული რადიუსის მნიშვნელობები იგივეა, თავად მოდელებს საერთო არაფერი აქვთ. მიშელისთვის სივრცე და დრო არ იცვლება, მაგრამ სინათლე ნელდება. ვარსკვლავი, რომლის ზომები მის გრავიტაციულ რადიუსზე მცირეა, აგრძელებს ბრწყინავს, მაგრამ ის ჩანს მხოლოდ არც თუ ისე შორეული დამკვირვებლისთვის. შვარცშილდისთვის სინათლის სიჩქარე აბსოლუტურია, მაგრამ სივრცისა და დროის სტრუქტურა გრავიტაციაზეა დამოკიდებული. გრავიტაციული რადიუსში ჩავარდნილი ვარსკვლავი ქრება ნებისმიერი დამკვირვებლისთვის, სადაც არ უნდა იყოს ის (უფრო ზუსტად, მისი აღმოჩენა გრავიტაციული ეფექტებით შეიძლება, მაგრამ არავითარ შემთხვევაში რადიაციის საშუალებით).

ურწმუნოებიდან მტკიცებამდე

შვარცშილდი და მისი თანამედროვეები თვლიდნენ, რომ ასეთი უცნაური კოსმოსური ობიექტები ბუნებაში არ არსებობს. თავად აინშტაინი არა მხოლოდ იცავდა ამ თვალსაზრისს, არამედ შეცდომით სჯეროდა, რომ მან შეძლო თავისი აზრის მათემატიკურად დასაბუთება.

1930-იან წლებში ახალგაზრდა ინდოელმა ასტროფიზიკოსმა, ჩანდრასეკარმა დაამტკიცა, რომ ვარსკვლავი, რომელმაც დახარჯა ბირთვული საწვავი, იშორებს თავის გარსს და იქცევა ნელ-ნელა გაცივებულ თეთრ ჯუჯად მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მისი მასა 1,4 მზის მასაზე ნაკლებია. მალე ამერიკელმა ფრიც ცვიკიმ გამოიცნო, რომ ნეიტრონული მატერიის უკიდურესად მკვრივი სხეულები წარმოიქმნება სუპერნოვას აფეთქებების დროს; მოგვიანებით იგივე დასკვნამდე მივიდა ლევ ლანდაუ. ჩანდრასეხარის მუშაობის შემდეგ აშკარა იყო, რომ მხოლოდ 1,4 მზის მასაზე მეტი მასის მქონე ვარსკვლავებს შეეძლოთ ასეთი ევოლუცია. აქედან გამომდინარე, გაჩნდა ბუნებრივი კითხვა - არსებობს თუ არა მასის ზედა ზღვარი სუპერნოვასთვის, რომელსაც ნეიტრონული ვარსკვლავები ტოვებენ?

1930-იანი წლების ბოლოს, ამერიკული ატომური ბომბის მომავალმა მამამ, რობერტ ოპენჰაიმერმა დაადგინა, რომ ასეთი ზღვარი ნამდვილად არსებობს და არ აღემატება რამდენიმე მზის მასას. მაშინ შეუძლებელი იყო უფრო ზუსტი შეფასების გაკეთება; ახლა ცნობილია, რომ ნეიტრონული ვარსკვლავების მასა უნდა იყოს 1,5-3 M s დიაპაზონში. მაგრამ ოპენჰაიმერისა და მისი კურსდამთავრებულის ჯორჯ ვოლკოვის სავარაუდო გამოთვლებიდანაც კი, მოჰყვა, რომ სუპერნოვაების ყველაზე მასიური შთამომავლები არ ხდებიან ნეიტრონული ვარსკვლავები, არამედ გადადიან სხვა მდგომარეობაში. 1939 წელს ოპენჰაიმერმა და ჰარტლანდ სნაიდერმა იდეალიზებულ მოდელში დაამტკიცეს, რომ მასიური კოლაფსირებული ვარსკვლავი იკუმშება მის გრავიტაციულ რადიუსამდე. მათი ფორმულებიდან, ფაქტობრივად, გამომდინარეობს, რომ ვარსკვლავი აქ არ ჩერდება, მაგრამ თანაავტორებმა თავი შეიკავეს ასეთი რადიკალური დასკვნისგან.

საბოლოო პასუხი მე-20 საუკუნის მეორე ნახევარში იქნა ნაპოვნი ბრწყინვალე თეორიტიკოსების გალაქტიკის ძალისხმევით, მათ შორის საბჭოთა. აღმოჩნდა, რომ ასეთი კოლაფსი ყოველთვისშეკუმშავს ვარსკვლავს "გაჩერებამდე", მთლიანად ანადგურებს მის ნივთიერებას. შედეგად, წარმოიქმნება სინგულარობა, გრავიტაციული ველის „ზეკონცენტრატი“, რომელიც დახურულია უსასრულოდ მცირე მოცულობით. ფიქსირებული ხვრელისთვის ეს არის წერტილი, მბრუნავი ხვრელისთვის ეს არის რგოლი. სივრცე-დროის გამრუდება და, შესაბამისად, მიზიდულობის ძალა სინგულარობის მახლობლად მიდრეკილია უსასრულობისკენ. 1967 წლის ბოლოს ამერიკელმა ფიზიკოსმა ჯონ არჩიბალდ უილერმა პირველმა უწოდა ვარსკვლავების ამგვარ საბოლოო კოლაფსს შავი ხვრელი. ახალმა ტერმინმა შეიყვარა ფიზიკოსები და გაახარა ჟურნალისტები, რომლებმაც ის გაავრცელეს მთელ მსოფლიოში (თუმცა ფრანგებს თავიდან არ მოსწონდათ, რადგან გამოთქმა trou noir საეჭვო ასოციაციებს მიანიშნებდა).

იქ, ჰორიზონტს მიღმა

შავი ხვრელი არც მატერიაა და არც რადიაცია. გარკვეული ფიგურატიულობით შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ეს არის თვითშენარჩუნებული გრავიტაციული ველი, რომელიც კონცენტრირებულია სივრცე-დროის უაღრესად მრუდე რეგიონში. მისი გარე საზღვარი განისაზღვრება დახურული ზედაპირით, მოვლენათა ჰორიზონტით. თუ ვარსკვლავი კოლაფსამდე არ ბრუნავდა, ეს ზედაპირი გამოდის რეგულარული სფერო, რომლის რადიუსი ემთხვევა შვარცშილდის რადიუსს.

ჰორიზონტის ფიზიკური მნიშვნელობა ძალიან ნათელია. გარე სამეზობლოდან გამოგზავნილ მსუბუქ სიგნალს შეუძლია უსასრულო მანძილის გავლა. მაგრამ შიდა რეგიონიდან გაგზავნილი სიგნალები არა მხოლოდ ჰორიზონტს არ გადაკვეთენ, არამედ აუცილებლად "ჩავარდებიან" სინგულარობაში. ჰორიზონტი არის სივრცითი საზღვარი მოვლენებს შორის, რომლებიც შეიძლება ცნობილი გახდეს ხმელეთის (და ნებისმიერი სხვა) ასტრონომებისთვის და მოვლენებს შორის, რომელთა შესახებ ინფორმაცია არავითარ შემთხვევაში არ გამოვა.

როგორც უნდა იყოს „შვარცშილდის მიხედვით“, ჰორიზონტიდან შორს, ხვრელის მიზიდულობა უკუპროპორციულია მანძილის კვადრატთან, ამიტომ შორეული დამკვირვებლისთვის ის თავს ჩვეულებრივ მძიმე სხეულად ავლენს. მასის გარდა, ხვრელი მემკვიდრეობით იღებს ჩამონგრეული ვარსკვლავის ინერციის მომენტს და მის ელექტრულ მუხტს. ხოლო წინამორბედი ვარსკვლავის ყველა სხვა მახასიათებელი (სტრუქტურა, შემადგენლობა, სპექტრული ტიპი და ა.შ.) დავიწყებას ექვემდებარება.

მოდით გავუგზავნოთ ზონდი ხვრელში რადიოსადგურით, რომელიც აგზავნის სიგნალს წამში ერთხელ ბორტზე დროის მიხედვით. შორეული დამკვირვებლისთვის, როდესაც ზონდი უახლოვდება ჰორიზონტს, სიგნალებს შორის დროის ინტერვალები გაიზრდება - პრინციპში, განუსაზღვრელი ვადით. როგორც კი გემი უხილავ ჰორიზონტს გადაკვეთს, ის სრულიად ჩუმად იქნება „ზედ-ხვრელის“ სამყაროსთვის. თუმცა, ეს გაქრობა უკვალოდ არ იქნება, რადგან ზონდი მისცემს ხვრელს მის მასას, მუხტს და ბრუნვას.

შავი ხვრელის გამოსხივება

ყველა წინა მოდელი აშენდა ექსკლუზიურად ფარდობითობის ზოგადი თეორიის საფუძველზე. თუმცა, ჩვენი სამყარო იმართება კვანტური მექანიკის კანონებით, რომლებიც არ უგულებელყოფენ შავ ხვრელებს. ეს კანონები არ გვაძლევს საშუალებას მივიჩნიოთ ცენტრალური სინგულარობა მათემატიკური პუნქტად. კვანტურ კონტექსტში მისი დიამეტრი მოცემულია პლანკ-უილერის სიგრძით, დაახლოებით 10-33 სანტიმეტრის ტოლი. ამ რეგიონში ჩვეულებრივი სივრცე წყვეტს არსებობას. ზოგადად მიღებულია, რომ ხვრელის ცენტრი სავსეა სხვადასხვა ტოპოლოგიური სტრუქტურებით, რომლებიც ჩნდება და კვდება კვანტური ალბათობის კანონების შესაბამისად. ასეთი ბუშტუკოვანი კვაზისივრცის თვისებები, რომელსაც უილერმა კვანტური ქაფი უწოდა, ჯერ კიდევ ცუდად არის გასაგები.

კვანტური სინგულარობის არსებობა პირდაპირ კავშირშია შავ ხვრელში ჩავარდნილი მატერიალური სხეულების ბედთან. ხვრელის ცენტრთან მიახლოებისას, ამჟამად ცნობილი მასალებისგან დამზადებული ნებისმიერი ობიექტი დამსხვრეული და მოწყვეტილი იქნება მოქცევის ძალებით. თუმცა, მაშინაც კი, თუ მომავალი ინჟინრები და ტექნოლოგები შექმნიან სუპერ ძლიერ შენადნობებსა და კომპოზიტებს დღეს შეუმჩნეველი თვისებებით, ყველა მათგანი მაინც განწირულია გაქრობისთვის: ბოლოს და ბოლოს, სინგულარობის ზონაში არც ჩვეულებრივი დროა და არც ჩვეულებრივი სივრცე.

ახლა მოდით შევხედოთ ხვრელის ჰორიზონტს კვანტური მექანიკური ლინზებით. ცარიელი სივრცე - ფიზიკური ვაკუუმი - ფაქტობრივად არ არის ცარიელი. ვაკუუმში სხვადასხვა ველის კვანტური რყევების გამო, ბევრი ვირტუალური ნაწილაკი მუდმივად იბადება და კვდება. ვინაიდან ჰორიზონტის მახლობლად გრავიტაცია ძალიან ძლიერია, მისი რყევები ქმნის უკიდურესად ძლიერ გრავიტაციულ აფეთქებებს. ასეთ ველებში აჩქარებისას ახალშობილი „ვირტუალები“ ​​დამატებით ენერგიას იძენენ და ზოგჯერ ჩვეულებრივ ხანგრძლივ ნაწილაკებად იქცევიან.

ვირტუალური ნაწილაკები ყოველთვის იბადებიან წყვილებში, რომლებიც მოძრაობენ საპირისპირო მიმართულებით (ამას მოითხოვს იმპულსის შენარჩუნების კანონი). თუ გრავიტაციული რყევა გამოაქვს წყვილი ნაწილაკები ვაკუუმიდან, შეიძლება მოხდეს, რომ ერთი მათგანი ჰორიზონტის გარეთ მატერიალიზდეს, ხოლო მეორე (პირველის ანტინაწილაკი) შიგნით. "შინაგანი" ნაწილაკი ჩავარდება ხვრელში, მაგრამ "გარე" ნაწილაკს შეუძლია გაქცევა ხელსაყრელ პირობებში. შედეგად ხვრელი იქცევა რადიაციის წყაროდ და შესაბამისად კარგავს ენერგიას და შესაბამისად მასას. აქედან გამომდინარე, შავი ხვრელები ფუნდამენტურად არასტაბილურია.

ამ ფენომენს ჰოკინგის ეფექტს უწოდებენ, შესანიშნავი ინგლისელი თეორიული ფიზიკოსის სახელით, რომელმაც იგი აღმოაჩინა 1970-იანი წლების შუა ხანებში. სტივენ ჰოკინგმა, კერძოდ, დაამტკიცა, რომ შავი ხვრელის ჰორიზონტი ასხივებს ფოტონებს ზუსტად ისევე, როგორც აბსოლუტურად შავი სხეული, რომელიც გაცხელებულია T = 0,5 x 10 -7 x M s / M ტემპერატურამდე. აქედან გამომდინარეობს, რომ ხვრელი თხელდება, მისი ტემპერატურა იზრდება და "აორთქლება", რა თქმა უნდა, იზრდება. ეს პროცესი უკიდურესად ნელია და M მასის ხვრელის სიცოცხლე დაახლოებით 10 65 x (M/M s) 3 წელია. როდესაც მისი ზომა პლანკ-უილერის სიგრძის ტოლი ხდება, ხვრელი კარგავს სტაბილურობას და ფეთქდება, ათავისუფლებს იგივე ენერგიას, რაც ათი მეგატონიანი მილიონი წყალბადის ბომბის ერთდროული აფეთქების დროს. საინტერესოა, რომ ხვრელის მასა გაქრობის დროს ჯერ კიდევ საკმაოდ დიდია, 22 მიკროგრამი. ზოგიერთი მოდელის მიხედვით, ხვრელი უკვალოდ არ ქრება, არამედ ტოვებს იმავე მასის სტაბილურ რელიქვიას, ე.წ.

მაქსიმონიდაიბადა 40 წლის წინ - როგორც ტერმინი და როგორც ფიზიკური იდეა. 1965 წელს აკადემიკოსმა M.A. Markov-მა თქვა, რომ არსებობს ელემენტარული ნაწილაკების მასის ზედა ზღვარი. მან შესთავაზა, რომ ეს ზღვრული მნიშვნელობა ჩაითვალოს მასის განზომილებად, რომელიც შეიძლება გაერთიანდეს სამი ფუნდამენტური ფიზიკური მუდმივიდან - პლანკის მუდმივი h, სინათლის სიჩქარე C და გრავიტაციული მუდმივი G (დეტალების მოყვარულებისთვის: ამისათვის საჭიროა გაამრავლეთ h და C, შედეგი გაყავით G-ზე და ამოიღეთ კვადრატული ფესვი). ეს არის იგივე 22 მიკროგრამი, რაც სტატიაშია ნახსენები, ამ მნიშვნელობას პლანკის მასას უწოდებენ. იგივე მუდმივებიდან შესაძლებელია მნიშვნელობის აგება სიგრძის განზომილებით (გამოვა პლანკ-უილერის სიგრძე, 10 -33 სმ) და დროის განზომილებით (10 -43 წმ).
მარკოვი უფრო შორს წავიდა თავის მსჯელობაში. მისი ჰიპოთეზის მიხედვით, შავი ხვრელის აორთქლება იწვევს „მშრალი ნარჩენის“ – მაქსიმონის წარმოქმნას. მარკოვმა ასეთ სტრუქტურებს ელემენტარული შავი ხვრელები უწოდა. რამდენად შეესაბამება ეს თეორია რეალობას, ჯერ კიდევ ღია საკითხია. ნებისმიერ შემთხვევაში, მარკოვის მაქსიმონის ანალოგები აღორძინდა შავი ხვრელების ზოგიერთ მოდელში, რომელიც დაფუძნებულია სუპერსიმების თეორიაზე.

სივრცის სიღრმე

შავი ხვრელები არ არის აკრძალული ფიზიკის კანონებით, მაგრამ არსებობს თუ არა ისინი ბუნებაში? ერთი ასეთი ობიექტის სივრცეში ყოფნის აბსოლუტურად მკაცრი მტკიცებულება ჯერ კიდევ არ არის ნაპოვნი. თუმცა, ძალიან სავარაუდოა, რომ ზოგიერთ ბინარულ სისტემაში რენტგენის წყაროები ვარსკვლავური წარმოშობის შავი ხვრელია. ეს გამოსხივება უნდა წარმოიშვას ჩვეულებრივი ვარსკვლავის ატმოსფეროს მეზობელი ხვრელის გრავიტაციული ველის მიერ შეწოვის შედეგად. გაზი მოვლენის ჰორიზონტზე გადაადგილებისას ძლიერ თბება და გამოყოფს რენტგენის კვანტებს. სულ მცირე ორი ათეული რენტგენის წყარო ახლა მიჩნეულია შესაფერის კანდიდატად შავი ხვრელების როლისთვის. უფრო მეტიც, ვარსკვლავური სტატისტიკა ვარაუდობს, რომ მხოლოდ ჩვენს გალაქტიკაში არის დაახლოებით ათი მილიონი ვარსკვლავური წარმოშობის ხვრელი.

შავი ხვრელები ასევე შეიძლება წარმოიქმნას გალაქტიკის ბირთვებში მატერიის გრავიტაციული კონდენსაციის პროცესში. ასე წარმოიქმნება მილიონობით და მილიარდობით მზის მასის გიგანტური ხვრელები, რომლებიც, დიდი ალბათობით, ბევრ გალაქტიკაშია ნაპოვნი. როგორც ჩანს, ირმის ნახტომის ცენტრში, მტვრის ღრუბლებით დაფარული, არის ხვრელი, რომლის მასა 3-4 მილიონი მზის მასაა.

სტივენ ჰოკინგი მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ თვითნებური მასის შავი ხვრელები შეიძლება დაბადებულიყო მაშინვე დიდი აფეთქების შემდეგ, რომელმაც შექმნა ჩვენი სამყარო. პირველადი ხვრელები, რომელთა წონა მილიარდ ტონამდეა, უკვე აორთქლდა, მაგრამ უფრო მძიმეებს მაინც შეუძლიათ კოსმოსის სიღრმეში დამალვა და, თავის დროზე, კოსმოსური ფეიერვერკების დადგმა გამა გამოსხივების მძლავრი ციმციმების სახით. თუმცა, ასეთი აფეთქებები აქამდე არასდროს დაფიქსირებულა.

შავი ხვრელის ქარხანა

შესაძლებელია თუ არა ამაჩქარებლის ნაწილაკების ისეთ მაღალ ენერგიამდე დაჩქარება, რომ მათი შეჯახების შედეგად წარმოიქმნას შავი ხვრელი? ერთი შეხედვით, ეს იდეა უბრალოდ გიჟურია - ხვრელის აფეთქება დედამიწაზე მთელ სიცოცხლეს გაანადგურებს. უფრო მეტიც, ეს ტექნიკურად შეუძლებელია. თუ ხვრელის მინიმალური მასა მართლაც 22 მიკროგრამია, მაშინ ენერგეტიკულ ერთეულებში ეს არის 10 28 ელექტრონ ვოლტი. ეს ბარიერი 15 ბრძანებით აღემატება მსოფლიოში ყველაზე მძლავრი ამაჩქარებლის, დიდი ადრონული კოლაიდერის (LHC) სიმძლავრეს, რომელიც 2007 წელს CERN-ში გაიშვება.

თუმცა, შესაძლებელია, რომ ხვრელის მინიმალური მასის სტანდარტული შეფასება მნიშვნელოვნად გადაჭარბებული იყოს. ნებისმიერ შემთხვევაში, ასე ამბობენ ფიზიკოსები, რომლებიც ავითარებენ სუპერსიმების თეორიას, რომელიც მოიცავს გრავიტაციის კვანტურ თეორიას (თუმცა შორს არის დასრულებამდე). ამ თეორიის თანახმად, სივრცეს აქვს არანაკლებ სამი განზომილება, მაგრამ მინიმუმ ცხრა. ჩვენ ვერ ვამჩნევთ ზედმეტ ზომებს, რადგან ისინი ისეთი მცირე მასშტაბითაა დაბმული, რომ ჩვენი ინსტრუმენტები მათ ვერ აღიქვამენ. თუმცა, გრავიტაცია ყველგან არის, ის ფარულ ზომებში აღწევს. სამ განზომილებაში, მიზიდულობის ძალა უკუპროპორციულია მანძილის კვადრატთან, ხოლო ცხრა განზომილებაში ეს არის მერვე ძალა. ამრიგად, მრავალგანზომილებიან სამყაროში გრავიტაციული ველის ინტენსივობა ბევრად უფრო სწრაფად იზრდება მანძილის კლებასთან ერთად, ვიდრე სამგანზომილებიანში. ამ შემთხვევაში პლანკის სიგრძე ბევრჯერ იზრდება და ხვრელის მინიმალური მასა მკვეთრად ეცემა.

სიმების თეორია პროგნოზირებს, რომ შავი ხვრელი მხოლოდ 10-20 გ მასით შეიძლება დაიბადოს ცხრაგანზომილებიან სივრცეში.ცერნის სუპერაჩქარებელში აჩქარებული პროტონების გამოთვლილი რელატივისტური მასა დაახლოებით იგივეა. ყველაზე ოპტიმისტური სცენარის მიხედვით, მას ყოველ წამში ერთი ხვრელის გამომუშავება შეეძლება, რომელიც დაახლოებით 10 -26 წამს იცოცხლებს. მისი აორთქლების პროცესში დაიბადება ყველა სახის ელემენტარული ნაწილაკი, რომლის რეგისტრაციაც ადვილი იქნება. ხვრელის გაქრობა გამოიწვევს ენერგიის გამოყოფას, რაც საკმარისი არ არის თუნდაც ერთი მიკროგრამი წყლის გასათბობად მეათასედ გრადუსზე. ამიტომ, არსებობს იმედი, რომ LHC გადაიქცევა უვნებელი შავი ხვრელების ქარხანად. თუ ეს მოდელები სწორია, მაშინ ახალი თაობის ორბიტალური კოსმოსური სხივების დეტექტორებიც შეძლებენ ასეთი ხვრელების აღმოჩენას.

ყოველივე ზემოთქმული ეხება სტაციონალურ შავ ხვრელებს. იმავდროულად, არის მბრუნავი ხვრელები, რომლებსაც აქვთ რამდენიმე საინტერესო თვისება. შავი ხვრელის გამოსხივების თეორიული ანალიზის შედეგებმა ასევე გამოიწვია ენტროპიის კონცეფციის სერიოზული გადახედვა, რაც ასევე იმსახურებს ცალკე განხილვას. ამის შესახებ დაწვრილებით შემდეგ ნომერში.

შავი ხვრელების არსებობის ჰიპოთეზა პირველად წამოაყენა ინგლისელმა ასტრონომმა ჯ. მიშელმა 1783 წელს სინათლის კორპუსკულარული თეორიისა და ნიუტონის გრავიტაციის თეორიის საფუძველზე. იმ დროს ჰიუგენსის ტალღის თეორია და მისი ცნობილი ტალღის პრინციპი უბრალოდ დავიწყებას მიეცა. ტალღის თეორიას არ უშველა ზოგიერთი პატივცემული მეცნიერის, კერძოდ, ცნობილი პეტერბურგელი აკადემიკოსების მ.ვ. ლომონოსოვი და ლ. ეილერი. მსჯელობის ლოგიკა, რომელმაც მიშელი მიიყვანა შავი ხვრელის კონცეფციამდე, ძალიან მარტივია: თუ სინათლე შედგება მანათობელი ეთერის ნაწილაკებისგან, მაშინ ეს ნაწილაკები, ისევე როგორც სხვა სხეულები, უნდა განიცადონ მიზიდულობა გრავიტაციული ველიდან. შესაბამისად, რაც უფრო მასიურია ვარსკვლავი (ან პლანეტა), მით უფრო დიდია მიზიდულობა მისი მხრიდან სხეულებისკენ და მით უფრო რთულია სინათლის გასვლა ასეთი სხეულის ზედაპირიდან.

შემდგომი ლოგიკა ვარაუდობს, რომ ასეთი მასიური ვარსკვლავები შეიძლება არსებობდნენ ბუნებაში, რომელთა მიზიდულობასაც კორპუსკულები ვეღარ გადალახავს და გარე დამკვირვებელს ისინი ყოველთვის შავი გამოჩნდებიან, თუმცა მათ თავად შეუძლიათ კაშკაშა ბრწყინვალებით ანათებენ, როგორც მზე. ფიზიკურად, ეს ნიშნავს, რომ მეორე კოსმოსური სიჩქარე ასეთი ვარსკვლავის ზედაპირზე არ უნდა იყოს სინათლის სიჩქარეზე ნაკლები. მიშელის გამოთვლები აჩვენებს, რომ სინათლე არასოდეს დატოვებს ვარსკვლავს, თუ მისი რადიუსი მზის საშუალო სიმკვრივით არის 500 მზის. ასეთ ვარსკვლავს უკვე შეიძლება ეწოდოს შავი ხვრელი.

13 წლის შემდეგ ფრანგმა მათემატიკოსმა და ასტრონომმა პ.ს. ლაპლასმა, დიდი ალბათობით, მიშელისგან დამოუკიდებლად გამოთქვა მსგავსი ჰიპოთეზა ასეთი ეგზოტიკური ობიექტების არსებობის შესახებ. რთული გამოთვლის მეთოდის გამოყენებით ლაპლასმა აღმოაჩინა სფეროს რადიუსი მოცემული სიმკვრივისთვის, რომლის ზედაპირზე პარაბოლური სიჩქარე უდრის სინათლის სიჩქარეს. ლაპლასის აზრით, სინათლის კორპუსები, როგორც გრავიტაციული ნაწილაკები, უნდა გადაიდოს მასიური ვარსკვლავებით, რომლებიც ასხივებენ სინათლეს, რომელთა სიმკვრივე დედამიწის სიმკვრივეს უდრის და მზის რადიუსი 250-ჯერ მეტია.

ლაპლასის ეს თეორია შედიოდა მხოლოდ მისი ცნობილი წიგნის "მსოფლიოს სისტემის ექსპოზიცია" პირველ ორ სიცოცხლეში, რომელიც გამოქვეყნდა 1796 და 1799 წლებში. დიახ, შესაძლოა, ლაპლასის თეორიით ავსტრიელი ასტრონომი ფ.კ.ფონ ზახიც კი დაინტერესდა, რომელიც 1798 წელს გამოაქვეყნა სათაურით "თეორემის მტკიცებულება იმისა, რომ მძიმე სხეულის მიზიდულობის ძალა შეიძლება იყოს იმდენად დიდი, რომ სინათლე ვერ გამოვა მისგან".

ამ ეტაპზე შავი ხვრელების შესწავლის ისტორია 100 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში შეჩერდა. როგორც ჩანს, თავად ლაპლასმა ჩუმად მიატოვა ასეთი ექსტრავაგანტული ჰიპოთეზა, რადგან მან გამორიცხა იგი თავისი წიგნის ყველა სხვა სიცოცხლის გამოცემიდან, რომელიც გამოქვეყნდა 1808, 1813 და 1824 წლებში. შესაძლოა, ლაპლასს არ სურდა კოლოსალური ვარსკვლავების თითქმის ფანტასტიკური ჰიპოთეზის გამეორება, რომლებიც სინათლეს აღარ ასხივებენ. შესაძლოა, მას შეაჩერა ახალი ასტრონომიული მონაცემები სხვადასხვა ვარსკვლავებში სინათლის აბერაციის სიდიდის შეუცვლელობის შესახებ, რაც ეწინააღმდეგებოდა მისი თეორიის ზოგიერთ დასკვნას, რის საფუძველზეც მან დააფუძნა თავისი გამოთვლები. მაგრამ ყველაზე სავარაუდო მიზეზი, რის გამოც ყველამ დაივიწყა მიშელ-ლაპლასის იდუმალი ჰიპოთეტური ობიექტები, არის სინათლის ტალღის თეორიის ტრიუმფი, რომლის ტრიუმფალური მსვლელობა დაიწყო მე -19 საუკუნის პირველი წლიდან.

ამ ტრიუმფის დასაწყისი ჩაუყარა ბუკერის ლექციას ინგლისელი ფიზიკოსის ტ. იუნგის "შუქისა და ფერის თეორია", რომელიც გამოქვეყნდა 1801 წელს, სადაც იუნგი გაბედულად, ნიუტონისა და კორპუსკულური თეორიის სხვა ცნობილი მხარდამჭერების (მათ შორის ლაპლასის) საწინააღმდეგოდ. , გამოკვეთა სინათლის ტალღური თეორიის არსი და თქვა, რომ გამოსხივებული შუქი შედგება მანათობელი ეთერის ტალღის მსგავსი მოძრაობებისგან. სინათლის პოლარიზაციის აღმოჩენით შთაგონებულმა ლაპლასმა დაიწყო სხეულების „გადარჩენა“ კრისტალებში სინათლის ორმაგი გარდატეხის თეორიის აგებით, რომელიც ეფუძნება ბროლის მოლეკულების ორმაგ მოქმედებას სინათლის კორპუსებზე. მაგრამ ფიზიკოსების შემდგომი ნამუშევრები O.Zh. Fresnel, F.D. არაგონმა, ჯ. ფრაუნჰოფერმა და სხვებმა ქვა არ დატოვეს კორპუსკულარულ თეორიაში, რომელიც სერიოზულად გაიხსენეს მხოლოდ ერთი საუკუნის შემდეგ, კვანტების აღმოჩენის შემდეგ. ყველა მსჯელობა შავი ხვრელების შესახებ სინათლის ტალღური თეორიის ფარგლებში იმ დროს სასაცილოდ გამოიყურებოდა.

შავი ხვრელები მაშინვე არ ახსოვდათ სინათლის კორპუსკულური თეორიის „რეაბილიტაციის“ შემდეგ, როდესაც მათ დაიწყეს მასზე საუბარი ახალ ხარისხობრივ დონეზე, კვანტების (1900) და ფოტონების (1905) ჰიპოთეზის წყალობით. შავი ხვრელები მეორედ აღმოაჩინეს მხოლოდ ზოგადი ფარდობითობის შექმნის შემდეგ, 1916 წელს, როდესაც გერმანელმა თეორიულმა ფიზიკოსმა და ასტრონომმა კ. მზის მიდამოებში. შედეგად, მან ხელახლა აღმოაჩინა შავი ხვრელების ფენომენი, მაგრამ უფრო ღრმა დონეზე.

შავი ხვრელების საბოლოო თეორიული აღმოჩენა მოხდა 1939 წელს, როდესაც ოპენჰაიმერმა და სნაიდერმა შეასრულეს აინშტაინის განტოლებების პირველი აშკარა ამონახსნები მტვრის ღრუბლიდან შავი ხვრელის წარმოქმნის აღწერისას. თავად ტერმინი „შავი ხვრელი“ პირველად შემოიტანა მეცნიერებაში ამერიკელმა ფიზიკოსმა ჯ. უილერმა 1968 წელს, ფარდობითობის, კოსმოლოგიისა და ასტროფიზიკის მიმართ ინტერესის სწრაფი აღორძინების წლებში, რაც გამოწვეული იყო ექსტრაატმოსფერული მიღწევებით (კერძოდ. , რენტგენი) ასტრონომია, კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივების, პულსარების და კვაზარების აღმოჩენა.

კოსმოსის კვლევის შესახებ პოპულარული სამეცნიერო ფილმების გადაღების მიმართ ინტერესის შედარებით ბოლოდროინდელი ზრდის გამო, თანამედროვე მაყურებელს ბევრი სმენია ისეთი ფენომენების შესახებ, როგორიცაა სინგულარობა ან შავი ხვრელი. თუმცა, ფილმები აშკარად არ ამჟღავნებენ ამ ფენომენების სრულ ბუნებას და ზოგჯერ ამახინჯებენ აგებულ სამეცნიერო თეორიებს უფრო მეტი ეფექტისთვის. ამ მიზეზით, ბევრი თანამედროვე ადამიანის წარმოდგენა ამ ფენომენების შესახებ ან სრულიად ზედაპირულია ან სრულიად მცდარი. წარმოქმნილი პრობლემის ერთ-ერთი გამოსავალი არის ეს სტატია, რომელშიც შევეცდებით გავიგოთ არსებული კვლევის შედეგები და ვუპასუხოთ კითხვას – რა არის შავი ხვრელი?

1784 წელს ინგლისელმა მღვდელმა და ბუნებისმეტყველმა ჯონ მიშელმა სამეფო საზოგადოებისადმი მიწერილ წერილში პირველად ახსენა ჰიპოთეტური მასიური სხეული, რომელსაც აქვს ისეთი ძლიერი გრავიტაციული მიზიდულობა, რომ მისთვის მეორე კოსმოსური სიჩქარე სინათლის სიჩქარეს გადააჭარბებს. მეორე გაქცევის სიჩქარე არის სიჩქარე, რომელიც შედარებით პატარა ობიექტს დასჭირდება ციური სხეულის გრავიტაციული წევის დასაძლევად და ამ სხეულის გარშემო დახურული ორბიტის დასატოვებლად. მისი გამოთვლებით, მზის სიმკვრივის მქონე სხეულს, რომლის რადიუსიც 500 მზის რადიუსია, ზედაპირზე ექნება სინათლის სიჩქარის ტოლი მეორე კოსმოსური სიჩქარე. ამ შემთხვევაში სინათლეც კი არ დატოვებს ასეთი სხეულის ზედაპირს და ამიტომ ეს სხეული მხოლოდ შემომავალ შუქს შთანთქავს და დამკვირვებლისთვის უხილავი დარჩება – ერთგვარი შავი ლაქა ბნელი სივრცის ფონზე.

თუმცა, მიშელის მიერ შემოთავაზებული სუპერმასიური სხეულის კონცეფცია აინშტაინის მუშაობამდე დიდ ინტერესს არ იწვევდა. შეგახსენებთ, რომ ამ უკანასკნელმა განსაზღვრა სინათლის სიჩქარე, როგორც ინფორმაციის გადაცემის შემზღუდავი სიჩქარე. გარდა ამისა, აინშტაინმა გააფართოვა გრავიტაციის თეორია სინათლის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარისთვის (). შედეგად, აღარ იყო აქტუალური ნიუტონის თეორიის შავ ხვრელების გამოყენება.

აინშტაინის განტოლება

შავი ხვრელების ზოგადი ფარდობითობის გამოყენებისა და აინშტაინის განტოლებების ამოხსნის შედეგად გამოვლინდა შავი ხვრელის ძირითადი პარამეტრები, რომელთაგან მხოლოდ სამია: მასა, ელექტრული მუხტი და კუთხური იმპულსი. აღსანიშნავია ინდოელი ასტროფიზიკოსის სუბრამანიან ჩანდრასეხარის მნიშვნელოვანი წვლილი, რომელმაც შექმნა ფუნდამენტური მონოგრაფია: „შავი ხვრელების მათემატიკური თეორია“.

ამრიგად, აინშტაინის განტოლებების ამოხსნა წარმოდგენილია ოთხი შესაძლო ტიპის შავი ხვრელისთვის:

• შავი ხვრელი ბრუნვისა და მუხტის გარეშე - შვარცშილდის ხსნარი. შავი ხვრელის ერთ-ერთი პირველი აღწერა (1916 წ.) აინშტაინის განტოლებების გამოყენებით, მაგრამ სხეულის სამი პარამეტრიდან ორის გათვალისწინების გარეშე. გერმანელი ფიზიკოსის კარლ შვარცშილდის გამოსავალი საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ სფერული მასიური სხეულის გარე გრავიტაციული ველი. გერმანელი მეცნიერის შავი ხვრელების კონცეფციის თავისებურება მოვლენათა ჰორიზონტის არსებობაა და მის უკან. შვარცშილდმა ასევე პირველად გამოთვალა გრავიტაციული რადიუსი, რომელმაც მიიღო მისი სახელი, რომელიც განსაზღვრავს სფეროს რადიუსს, რომელზეც მოვლენის ჰორიზონტი განთავსდება მოცემული მასის მქონე სხეულისთვის.
• შავი ხვრელი ბრუნვის გარეშე მუხტით - Reisner-Nordström ხსნარი. გამოსავალი, რომელიც წამოაყენეს 1916-1918 წლებში, შავი ხვრელის შესაძლო ელექტრული მუხტის გათვალისწინებით. ეს მუხტი არ შეიძლება იყოს თვითნებურად დიდი და შეზღუდულია შედეგად მიღებული ელექტრული მოგერიების გამო. ეს უკანასკნელი უნდა იყოს კომპენსირებული გრავიტაციული მიზიდულობით.
• შავი ხვრელი ბრუნვით და მუხტის გარეშე - კერის ხსნარი (1963). მბრუნავი კერის შავი ხვრელი სტატიკურისგან განსხვავდება ეგრეთ წოდებული ერგოსფეროს არსებობით (დაწვრილებით ამ და შავი ხვრელის სხვა კომპონენტების შესახებ).
• BH ბრუნვით და მუხტით - Kerr-Newman ხსნარი. ეს გამოსავალი გამოითვალა 1965 წელს და ამჟამად ყველაზე სრულყოფილია, რადგან ის ითვალისწინებს BH სამივე პარამეტრს. თუმცა, ჯერ კიდევ ვარაუდობენ, რომ ბუნებაში არსებულ შავ ხვრელებს აქვთ უმნიშვნელო მუხტი.

შავი ხვრელის ფორმირება

არსებობს რამდენიმე თეორია იმის შესახებ, თუ როგორ წარმოიქმნება და ჩნდება შავი ხვრელი, რომელთაგან ყველაზე ცნობილია გრავიტაციული კოლაფსის შედეგად საკმარისი მასის ვარსკვლავის გაჩენა. ასეთ შეკუმშვას შეუძლია დაასრულოს სამზე მეტი მზის მასის მქონე ვარსკვლავების ევოლუცია. ასეთი ვარსკვლავების შიგნით თერმობირთვული რეაქციების დასრულების შემდეგ, ისინი იწყებენ სწრაფად შეკუმშვას ზემკვრივში. თუ ნეიტრონული ვარსკვლავის გაზის წნევა ვერ ანაზღაურებს გრავიტაციულ ძალებს, ანუ ვარსკვლავის მასა გადალახავს ე.წ. ოპენჰაიმერ-ვოლკოვის ზღვარი, შემდეგ კოლაფსი გრძელდება, რის შედეგადაც მატერია შეკუმშულია შავ ხვრელში.

მეორე სცენარი, რომელიც აღწერს შავი ხვრელის დაბადებას, არის პროტოგალაქტიკური აირის, ანუ ვარსკვლავთშორისი გაზის შეკუმშვა, რომელიც იმყოფება გალაქტიკად ან რაიმე სახის გროვად გარდაქმნის ეტაპზე. არასაკმარისი შიდა წნევის შემთხვევაში იმავე გრავიტაციული ძალების კომპენსაციისთვის, შავი ხვრელი შეიძლება წარმოიშვას.

კიდევ ორი ​​სცენარი ჰიპოთეტური რჩება:

• შედეგად შავი ხვრელის გაჩენა - ე.წ. პირველყოფილი შავი ხვრელები.
• წარმოქმნა ბირთვული რეაქციების შედეგად მაღალ ენერგიებზე. ასეთი რეაქციების მაგალითია ექსპერიმენტები კოლაიდერებზე.

შავი ხვრელების სტრუქტურა და ფიზიკა

შვარცშილდის მიხედვით შავი ხვრელის სტრუქტურა მოიცავს მხოლოდ ორ ელემენტს, რომლებიც ადრე იყო ნახსენები: შავი ხვრელის სინგულარობა და მოვლენათა ჰორიზონტი. მოკლედ რომ ვთქვათ სინგულარობაზე, შეიძლება აღინიშნოს, რომ შეუძლებელია მასში სწორი ხაზის დახატვა და ასევე, რომ მასში არსებული ფიზიკური თეორიების უმეტესობა არ მუშაობს. ამრიგად, სინგულარობის ფიზიკა დღემდე საიდუმლოდ რჩება მეცნიერებისთვის. შავი ხვრელი - ეს არის ერთგვარი საზღვარი, რომლის გადაკვეთაც, ფიზიკური ობიექტი კარგავს მის მიღმა უკან დაბრუნების უნარს და ცალსახად „ვარდება“ შავი ხვრელის სინგულარობაში.

შავი ხვრელის სტრუქტურა გარკვეულწილად რთულდება კერის ხსნარის შემთხვევაში, კერძოდ, BH ბრუნვის არსებობისას. კერის გამოსავალი გულისხმობს, რომ ხვრელს აქვს ერგოსფერო. ერგოსფერო - მოვლენათა ჰორიზონტის გარეთ მდებარე გარკვეული ტერიტორია, რომლის შიგნითაც ყველა სხეული მოძრაობს შავი ხვრელის ბრუნვის მიმართულებით. ეს ტერიტორია ჯერ კიდევ არ არის ამაღელვებელი და შესაძლებელია მისი დატოვება, მოვლენების ჰორიზონტისგან განსხვავებით. ერგოსფერო, ალბათ, აკრეციული დისკის ერთგვარი ანალოგია, რომელიც წარმოადგენს მასიური სხეულების გარშემო მბრუნავ ნივთიერებას. თუ სტატიკური შვარცშილდის შავი ხვრელი წარმოდგენილია შავი სფეროს სახით, მაშინ კერის შავ ხვრელს, ერგოსფეროს არსებობის გამო, აქვს ელიფსოიდის ფორმა, რომლის სახითაც ძველ ნახატებში ხშირად ვხედავდით შავ ხვრელებს. ფილმები ან ვიდეო თამაშები.

• რამდენს იწონის შავი ხვრელი? - შავი ხვრელის გარეგნობის შესახებ უდიდესი თეორიული მასალა ხელმისაწვდომია ვარსკვლავის კოლაფსის შედეგად მისი გაჩენის სცენარისთვის. ამ შემთხვევაში ნეიტრონული ვარსკვლავის მაქსიმალური მასა და შავი ხვრელის მინიმალური მასა განისაზღვრება ოპენჰაიმერ-ვოლკოვის ზღვრით, რომლის მიხედვითაც BH მასის ქვედა ზღვარი არის 2,5 - 3 მზის მასა. ოდესმე აღმოჩენილი ყველაზე მძიმე შავი ხვრელი (გალაქტიკა NGC 4889) აქვს 21 მილიარდი მზის მასის მასა. თუმცა, არ უნდა დავივიწყოთ შავი ხვრელები, რომლებიც ჰიპოთეტურად წარმოიქმნება ბირთვული რეაქციების შედეგად მაღალი ენერგიით, როგორიცაა კოლაიდერები. ასეთი კვანტური შავი ხვრელების, სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, „პლანკის შავი ხვრელების“ მასა არის 2 10 −5 გ-ის რიგის.
• შავი ხვრელის ზომა. მინიმალური BH რადიუსი შეიძლება გამოითვალოს მინიმალური მასიდან (2,5 - 3 მზის მასა). თუ მზის გრავიტაციული რადიუსი, ანუ ტერიტორია, სადაც იქნება მოვლენათა ჰორიზონტი, არის დაახლოებით 2,95 კმ, მაშინ BH-ის 3 მზის მასის მინიმალური რადიუსი იქნება დაახლოებით ცხრა კილომეტრი. ასეთი შედარებით მცირე ზომები არ ჯდება თავში, როცა საქმე ეხება მასიურ ობიექტებს, რომლებიც იზიდავს ყველაფერს ირგვლივ. თუმცა, კვანტური შავი ხვრელების რადიუსი არის -10 −35 მ.
• შავი ხვრელის საშუალო სიმკვრივე დამოკიდებულია ორ პარამეტრზე: მასაზე და რადიუსზე. დაახლოებით სამი მზის მასის მქონე შავი ხვრელის სიმკვრივე არის დაახლოებით 6 10 26 კგ/მ³, ხოლო წყლის სიმკვრივე 1000 კგ/მ³. თუმცა, ასეთი პატარა შავი ხვრელები მეცნიერებს არ უპოვიათ. აღმოჩენილი BH-ების უმეტესობას აქვს 105 მზის მასაზე მეტი მასა. არსებობს საინტერესო ნიმუში, რომლის მიხედვითაც, რაც უფრო მასიურია შავი ხვრელი, მით უფრო დაბალია მისი სიმკვრივე. ამ შემთხვევაში, მასის ცვლილება 11 რიგით სიდიდის მიხედვით იწვევს სიმკვრივის ცვლილებას 22 ბრძანებით. ამრიგად, შავ ხვრელს, რომლის მასა 1 ·10 9 მზის მასაა, აქვს 18,5 კგ/მ³ სიმკვრივე, რაც ერთით ნაკლებია ოქროს სიმკვრივეზე. ხოლო შავ ხვრელებს, რომელთა მასა 10 10 მზის მასაზე მეტია, შეიძლება ჰქონდეთ საშუალო სიმკვრივე ჰაერის სიმკვრივეზე ნაკლები. ამ გამოთვლებიდან გამომდინარე, ლოგიკურია ვივარაუდოთ, რომ შავი ხვრელის წარმოქმნა ხდება არა მატერიის შეკუმშვის, არამედ დიდი რაოდენობით მატერიის გარკვეულ მოცულობაში დაგროვების შედეგად. კვანტური შავი ხვრელების შემთხვევაში მათი სიმკვრივე შეიძლება იყოს დაახლოებით 10 94 კგ/მ³.
• შავი ხვრელის ტემპერატურაც მისი მასის უკუპროპორციულია. ეს ტემპერატურა პირდაპირ კავშირშია. ამ გამოსხივების სპექტრი ემთხვევა სრულიად შავი სხეულის სპექტრს, ანუ სხეულის, რომელიც შთანთქავს ყველა მოხვედრილ გამოსხივებას. შავი სხეულის რადიაციის სპექტრი დამოკიდებულია მხოლოდ მის ტემპერატურაზე, მაშინ შავი ხვრელის ტემპერატურა შეიძლება განისაზღვროს ჰოკინგის გამოსხივების სპექტრიდან. როგორც ზემოთ აღინიშნა, ეს გამოსხივება რაც უფრო ძლიერია, მით უფრო პატარაა შავი ხვრელი. ამავდროულად, ჰოკინგის გამოსხივება ჰიპოთეტური რჩება, რადგან ასტრონომები მას ჯერ არ დაუკვირვებიათ. აქედან გამომდინარეობს, რომ თუ ჰოკინგის გამოსხივება არსებობს, მაშინ დაკვირვებული BH-ების ტემპერატურა იმდენად დაბალია, რომ არ იძლევა საშუალებას აღმოაჩინოს მითითებული გამოსხივება. გამოთვლების მიხედვით, მზის მასის რიგის მასის მქონე ხვრელის ტემპერატურაც კი უმნიშვნელოა (1 ·10 -7 K ან -272°C). კვანტური შავი ხვრელების ტემპერატურამ შეიძლება მიაღწიოს დაახლოებით 10 12 კ-ს და მათი სწრაფი აორთქლებით (დაახლოებით 1,5 წთ.) ასეთ BH-ებს შეუძლიათ ათი მილიონი ატომური ბომბის ენერგიის გამოსხივება. მაგრამ, საბედნიეროდ, ასეთი ჰიპოთეტური ობიექტების შექმნას დასჭირდება 10 14-ჯერ მეტი ენერგია, ვიდრე დღეს მიღწეულია დიდ ადრონულ კოლაიდერზე. გარდა ამისა, ასეთი ფენომენები ასტრონომებს არასოდეს დაუფიქსირებიათ.

რისგან არის დამზადებული CHD?

კიდევ ერთი კითხვა აწუხებს როგორც მეცნიერებს, ასევე მათ, ვინც უბრალოდ ასტროფიზიკის მოყვარულია - რისგან შედგება შავი ხვრელი? ამ კითხვაზე ცალსახა პასუხი არ არსებობს, რადგან შეუძლებელია რაიმე შავი ხვრელის მიმდებარე მოვლენათა ჰორიზონტის მიღმა ყურება. გარდა ამისა, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, შავი ხვრელის თეორიული მოდელები ითვალისწინებს მის მხოლოდ 3 კომპონენტს: ერგოსფეროს, მოვლენათა ჰორიზონტს და სინგულარობას. ლოგიკურია ვივარაუდოთ, რომ ერგოსფეროში არსებობენ მხოლოდ ის ობიექტები, რომლებსაც შავი ხვრელი იზიდავდა და რომლებიც ახლა მის გარშემო ბრუნავენ - სხვადასხვა სახის კოსმოსური სხეულები და კოსმოსური გაზი. მოვლენათა ჰორიზონტი არის მხოლოდ თხელი იმპლიციტური საზღვარი, რომლის მიღმაც, იგივე კოსმოსური სხეულები შეუქცევად იზიდავს შავი ხვრელის ბოლო ძირითადი კომპონენტის - სინგულარობისკენ. სინგულარობის ბუნება დღეს შესწავლილი არ არის და მის შემადგენლობაზე საუბარი ნაადრევია.

ზოგიერთი ვარაუდის მიხედვით, შავი ხვრელი შეიძლება შედგებოდეს ნეიტრონებისგან. თუ მივყვებით ვარსკვლავის ნეიტრონულ ვარსკვლავზე შეკუმშვის შედეგად შავი ხვრელის გაჩენის სცენარს მისი შემდგომი შეკუმშვით, მაშინ, სავარაუდოდ, შავი ხვრელის ძირითადი ნაწილი შედგება ნეიტრონებისაგან, რომელთაგან ნეიტრონული ვარსკვლავია. თავად შედგება. მარტივი სიტყვებით: როდესაც ვარსკვლავი იშლება, მისი ატომები ისე შეკუმშულია, რომ ელექტრონები ერწყმის პროტონებს, რითაც წარმოქმნიან ნეიტრონებს. ასეთი რეაქცია მართლაც ხდება ბუნებაში, ნეიტრონის წარმოქმნით ხდება ნეიტრინოს ემისია. თუმცა, ეს მხოლოდ ვარაუდებია.

რა მოხდება, თუ შავ ხვრელში მოხვდებით?

ასტროფიზიკურ შავ ხვრელში ჩავარდნა იწვევს სხეულის დაჭიმვას. განვიხილოთ ჰიპოთეტური თვითმკვლელი ასტრონავტი, რომელიც მიემართება შავ ხვრელში, კოსმოსური კოსტუმის გარდა, ჯერ ფეხები. მოვლენის ჰორიზონტის გადაკვეთისას, ასტრონავტი ვერ შეამჩნევს რაიმე ცვლილებას, მიუხედავად იმისა, რომ მას აღარ აქვს დაბრუნების შესაძლებლობა. რაღაც მომენტში ასტრონავტი მიაღწევს წერტილს (მოვლენის ჰორიზონტის ოდნავ უკან), სადაც მისი სხეულის დეფორმაცია დაიწყება. ვინაიდან შავი ხვრელის გრავიტაციული ველი არაერთგვაროვანია და წარმოდგენილია ძალის გრადიენტით, რომელიც იზრდება ცენტრისკენ, ასტრონავტის ფეხები დაექვემდებარება შესამჩნევად უფრო დიდ გრავიტაციულ ეფექტს, ვიდრე, მაგალითად, თავი. შემდეგ, სიმძიმის, უფრო სწორად, მოქცევის ძალების გამო, ფეხები უფრო სწრაფად "დაეცემა". ამრიგად, სხეული თანდათან იწყებს სიგრძეში დაჭიმვას. ამ ფენომენის აღსაწერად ასტროფიზიკოსებმა საკმაოდ კრეატიული ტერმინი - სპაგეტიფიკაცია მოიგონეს. სხეულის შემდგომი გაჭიმვა, ალბათ, დაშლის მას ატომებად, რომლებიც ადრე თუ გვიან სინგულარობას მიაღწევენ. მხოლოდ იმის გამოცნობა შეიძლება, თუ რას იგრძნობს ადამიანი ამ სიტუაციაში. აღსანიშნავია, რომ სხეულის დაჭიმვის ეფექტი უკუპროპორციულია შავი ხვრელის მასის. ანუ, თუ სამი მზის მასის მქონე BH მყისიერად გაჭიმავს/არღვევს სხეულს, მაშინ სუპერმასიურ შავ ხვრელს ექნება უფრო დაბალი მოქცევის ძალები და არსებობს ვარაუდები, რომ ზოგიერთ ფიზიკურ მასალას შეუძლია „მოითმინოს“ ასეთი დეფორმაცია სტრუქტურის დაკარგვის გარეშე.

მოგეხსენებათ, მასიური ობიექტების მახლობლად, დრო უფრო ნელა მიედინება, რაც იმას ნიშნავს, რომ თვითმკვლელი ასტრონავტის დრო გაცილებით ნელა მოედინება, ვიდრე მიწიერებისთვის. ამ შემთხვევაში, შესაძლოა, ის გადარჩება არა მხოლოდ მეგობრებს, არამედ თავად დედამიწას. საჭირო იქნება გამოთვლები იმის დასადგენად, თუ რამდენი დრო შენელდება ასტრონავტისთვის, თუმცა, ზემოაღნიშნულიდან გამომდინარე, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ასტრონავტი ძალიან ნელა ჩავარდება შავ ხვრელში და შეიძლება უბრალოდ ვერ ნახოს ის მომენტი, როდესაც მისი სხეული იწყება. დეფორმირება.

აღსანიშნავია, რომ გარეთ დამკვირვებლისთვის ყველა სხეული, რომელიც აფრინდა მოვლენათა ჰორიზონტზე, დარჩება ამ ჰორიზონტის კიდეზე, სანამ მათი გამოსახულება არ გაქრება. ამ ფენომენის მიზეზი არის გრავიტაციული წითელ გადანაცვლება. რამდენადმე გამარტივებით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მოვლენათა ჰორიზონტზე „გაყინული“ თვითმკვლელი ასტრონავტის სხეულზე მოვარდნილი შუქი შენელებული დროის გამო სიხშირეს შეცვლის. რაც დრო გადის უფრო ნელა, სინათლის სიხშირე მცირდება და ტალღის სიგრძე გაიზრდება. ამ ფენომენის შედეგად, გამოსავალზე, ანუ გარე დამკვირვებლისთვის, სინათლე თანდათან გადაინაცვლებს დაბალი სიხშირისკენ - წითელი. სინათლის ცვლა სპექტრის გასწვრივ მოხდება, რადგან თვითმკვლელი ასტრონავტი უფრო და უფრო შორდება დამკვირვებელს, თუმცა თითქმის შეუმჩნევლად, და მისი დრო უფრო და უფრო ნელა მიედინება. ამრიგად, მისი სხეულის მიერ არეკლილი სინათლე მალე სცილდება ხილულ სპექტრს (გამოსახულება გაქრება) და მომავალში ასტრონავტის სხეულის აღმოჩენა შესაძლებელია მხოლოდ ინფრაწითელ რეგიონში, მოგვიანებით რადიოსიხშირის რეგიონში და შედეგად, რადიაცია სრულიად გაუგებარი იქნება.

მიუხედავად იმისა, რაც ზემოთ იყო დაწერილი, ვარაუდობენ, რომ ძალიან დიდ ზემასიურ შავ ხვრელებში, მოქცევის ძალები არც ისე დიდად იცვლება მანძილით და თითქმის ერთნაირად მოქმედებს დაცემით სხეულზე. ასეთ შემთხვევაში დავარდნილი კოსმოსური ხომალდი თავის სტრუქტურას შეინარჩუნებს. ჩნდება გონივრული კითხვა - სად მიდის შავი ხვრელი? ამ კითხვაზე პასუხის გაცემა შესაძლებელია ზოგიერთი მეცნიერის ნაშრომით, რომელიც აკავშირებს ორ ისეთ ფენომენს, როგორიცაა ჭიის ხვრელები და შავი ხვრელები.

ჯერ კიდევ 1935 წელს ალბერტ აინშტაინმა და ნათან როზენმა, იმის გათვალისწინებით, წამოაყენეს ჰიპოთეზა ეგრეთ წოდებული ჭიის ხვრელების არსებობის შესახებ, რომლებიც აკავშირებენ სივრცე-დროის ორ წერტილს ამ უკანასკნელის მნიშვნელოვანი გამრუდების ადგილებში - აინშტაინ-როზენის ხიდზე. ან ჭიის ხვრელი. სივრცის ასეთი მძლავრი გამრუდებასთვის საჭირო იქნება გიგანტური მასის მქონე სხეულები, რომელთა როლს შავი ხვრელები შესანიშნავად გაუმკლავდებიან.

აინშტაინ-როზენის ხიდი ითვლება შეუღწევად ჭიის ხვრელად, რადგან ის პატარა და არასტაბილურია.

გავლადი ჭიის ხვრელი შესაძლებელია შავი და თეთრი ხვრელების თეორიის ფარგლებში. სადაც თეთრი ხვრელი არის ინფორმაციის გამომავალი, რომელიც ჩავარდა შავ ხვრელში. თეთრი ხვრელი აღწერილია ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ფარგლებში, მაგრამ დღეს ის ჰიპოთეტურია და არ არის აღმოჩენილი. ჭიის ხვრელის კიდევ ერთი მოდელი შემოგვთავაზეს ამერიკელმა მეცნიერებმა კიპ თორნმა და მისმა კურსდამთავრებულმა მაიკ მორისმა, რომელიც შეიძლება იყოს გამვლელი. თუმცა, როგორც მორის-თორნის ჭიის ხვრელის შემთხვევაში, ასევე შავი და თეთრი ხვრელების შემთხვევაში, მოგზაურობის შესაძლებლობა მოითხოვს ეგზოტიკური მატერიის არსებობას, რომელსაც აქვს უარყოფითი ენერგია და ასევე ჰიპოთეტური რჩება.

შავი ხვრელები სამყაროში

შავი ხვრელების არსებობა შედარებით ცოტა ხნის წინ (2015 წლის სექტემბერი) დადასტურდა, მაგრამ მანამდე უკვე იყო ბევრი თეორიული მასალა შავი ხვრელების ბუნებაზე, ისევე როგორც ბევრი კანდიდატი ობიექტი შავი ხვრელის როლისთვის. უპირველეს ყოვლისა, უნდა გავითვალისწინოთ შავი ხვრელის ზომები, რადგან ფენომენის ბუნება დამოკიდებულია მათზე:

• ვარსკვლავური მასის შავი ხვრელი. ასეთი ობიექტები ვარსკვლავის დაშლის შედეგად წარმოიქმნება. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, სხეულის მინიმალური მასა, რომელსაც შეუძლია შექმნას ასეთი შავი ხვრელი, არის 2,5 - 3 მზის მასა.
• შუალედური მასის შავი ხვრელები. შავი ხვრელების პირობითი შუალედური ტიპი, რომელიც გაიზარდა ახლომდებარე ობიექტების შთანთქმის გამო, როგორიცაა აირის დაგროვება, მეზობელი ვარსკვლავი (ორი ვარსკვლავის სისტემაში) და სხვა კოსმოსური სხეულები.
• Სუპერმასიური შავი ხვრელი. კომპაქტური ობიექტები 10 5 -10 10 მზის მასით. ასეთი BH-ების გამორჩეული თვისებებია პარადოქსულად დაბალი სიმკვრივე, ისევე როგორც სუსტი მოქცევის ძალები, რომლებიც ადრე იყო განხილული. ეს არის ეს სუპერმასიური შავი ხვრელი ჩვენი ირმის ნახტომის (Sagittarius A*, Sgr A*), ისევე როგორც სხვა გალაქტიკების ცენტრში.

CHD-ის კანდიდატები

უახლოესი შავი ხვრელი, უფრო სწორად, შავი ხვრელის როლის კანდიდატი არის ობიექტი (V616 Unicorn), რომელიც მდებარეობს მზიდან (ჩვენს გალაქტიკაში) 3000 სინათლის წლის მანძილზე. იგი შედგება ორი კომპონენტისგან: ვარსკვლავი, რომლის მასის ნახევარი მზის მასაა, ასევე უხილავი პატარა სხეული, რომლის მასა 3-5 მზის მასაა. თუ ეს ობიექტი აღმოჩნდება ვარსკვლავური მასის პატარა შავი ხვრელი, მაშინ ეს იქნება უახლოესი შავი ხვრელი.

ამ ობიექტის შემდეგ, მეორე უახლოესი შავი ხვრელია Cyg X-1 (Cyg X-1), რომელიც იყო შავი ხვრელის როლის პირველი კანდიდატი. მანძილი მასთან არის დაახლოებით 6070 სინათლის წელი. საკმაოდ კარგად შესწავლილი: მას აქვს 14,8 მზის მასა და მოვლენათა ჰორიზონტის რადიუსი დაახლოებით 26 კმ.

ზოგიერთი წყაროს თანახმად, შავი ხვრელის როლის კიდევ ერთი უახლოესი კანდიდატი შეიძლება იყოს სხეული V4641 Sagittarii (V4641 Sgr) ვარსკვლავურ სისტემაში, რომელიც, 1999 წლის შეფასებით, მდებარეობდა 1600 სინათლის წლის მანძილზე. თუმცა, შემდგომმა კვლევებმა ეს მანძილი მინიმუმ 15-ჯერ გაზარდა.

რამდენი შავი ხვრელია ჩვენს გალაქტიკაში?

ამ კითხვაზე ზუსტი პასუხი არ არსებობს, რადგან მათზე დაკვირვება საკმაოდ რთულია და ცის მთელი შესწავლის დროს მეცნიერებმა მოახერხეს ირმის ნახტომის შიგნით ათამდე შავი ხვრელის აღმოჩენა. გამოთვლების გარეშე, ჩვენ აღვნიშნავთ, რომ ჩვენს გალაქტიკაში დაახლოებით 100-400 მილიარდი ვარსკვლავია და დაახლოებით ყოველ მეათასედ ვარსკვლავს აქვს საკმარისი მასა შავი ხვრელის შესაქმნელად. სავარაუდოა, რომ ირმის ნახტომის არსებობის დროს მილიონობით შავი ხვრელი შეიძლებოდა ჩამოყალიბებულიყო. ვინაიდან უზარმაზარი შავი ხვრელების დარეგისტრირება უფრო ადვილია, ლოგიკურია ვივარაუდოთ, რომ ჩვენს გალაქტიკაში BH-ების უმეტესობა სუპერმასიური არ არის. აღსანიშნავია, რომ NASA-ს 2005 წელს ჩატარებული კვლევა ვარაუდობს შავი ხვრელების (10-20 ათასი) მთელი ჯგუფის არსებობას გალაქტიკის ცენტრის გარშემო. გარდა ამისა, 2016 წელს იაპონელმა ასტროფიზიკოსებმა ობიექტთან ახლოს აღმოაჩინეს მასიური თანამგზავრი * - შავი ხვრელი, ირმის ნახტომის ბირთვი. ამ სხეულის მცირე რადიუსის (0,15 სინათლის წელი) და ასევე უზარმაზარი მასის (100 000 მზის მასის) გამო მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ ეს ობიექტი ასევე სუპერმასიური შავი ხვრელია.

ჩვენი გალაქტიკის ბირთვი, ირმის ნახტომის შავი ხვრელი (Sagittarius A *, Sgr A * ან Sagittarius A *) არის სუპერმასიური და აქვს 4,31 10 6 მზის მასა და 0,00071 სინათლის წლის რადიუსი (6,25 სინათლის საათი). ანუ 6,75 მილიარდი კმ). მშვილდოსნის A* ტემპერატურა მის გარშემო არსებულ მტევანთან ერთად არის დაახლოებით 1 10 7 კ.

ყველაზე დიდი შავი ხვრელი

სამყაროს ყველაზე დიდი შავი ხვრელი, რომლის აღმოჩენაც მეცნიერებმა შეძლეს, არის სუპერმასიური შავი ხვრელი, FSRQ blazar, რომელიც მდებარეობს გალაქტიკა S5 0014+81-ის ცენტრში, დედამიწიდან 1,2·10 10 სინათლის წლის მანძილზე. დაკვირვების წინასწარი შედეგების მიხედვით, სვიფტის კოსმოსური ობსერვატორიის გამოყენებით, შავი ხვრელის მასა იყო 40 მილიარდი (40 10 9) მზის მასა, ხოლო ასეთი ხვრელის შვარცშილდის რადიუსი იყო 118,35 მილიარდი კილომეტრი (0,013 სინათლის წელი). გარდა ამისა, გათვლებით, ის წარმოიშვა 12,1 მილიარდი წლის წინ (დიდი აფეთქებიდან 1,6 მილიარდი წლის შემდეგ). თუ ეს გიგანტური შავი ხვრელი არ შთანთქავს მის გარშემო არსებულ მატერიას, მაშინ ის იცოცხლებს შავი ხვრელების ეპოქაში - სამყაროს განვითარების ერთ-ერთი ეპოქა, რომლის დროსაც მასში შავი ხვრელები დომინირებენ. თუ გალაქტიკა S5 0014+81-ის ბირთვი ზრდას განაგრძობს, მაშინ ის გახდება ერთ-ერთი ბოლო შავი ხვრელი, რომელიც იარსებებს სამყაროში.

დანარჩენი ორი ცნობილი შავი ხვრელი, თუმცა დასახელებული არ არის, მაგრამ უდიდესი მნიშვნელობა აქვს შავი ხვრელების შესასწავლად, რადგან მათ ექსპერიმენტულად დაადასტურეს მათი არსებობა და ასევე მნიშვნელოვანი შედეგები მისცეს გრავიტაციის შესასწავლად. საუბარია მოვლენაზე GW150914, რომელსაც ორი შავი ხვრელის ერთში შეჯახება ჰქვია. ამ ღონისძიებამ დარეგისტრირების საშუალება მისცა.

შავი ხვრელების აღმოჩენა

სანამ შავი ხვრელების აღმოჩენის მეთოდებს განვიხილავთ, უნდა უპასუხოთ კითხვას - რატომ არის შავი ხვრელი შავი? - მასზე პასუხი არ მოითხოვს ღრმა ცოდნას ასტროფიზიკასა და კოსმოლოგიაში. ფაქტია, რომ შავი ხვრელი შთანთქავს მასზე ჩამოვარდნილ მთელ გამოსხივებას და საერთოდ არ ასხივებს, თუ არ გაითვალისწინებთ ჰიპოთეტურს. თუ ამ ფენომენს უფრო დეტალურად განვიხილავთ, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ შავი ხვრელების შიგნით არ არის ისეთი პროცესები, რომლებიც ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სახით ენერგიის გამოყოფას იწვევს. მაშინ თუ შავი ხვრელი ასხივებს, მაშინ ის ჰოკინგის სპექტრშია (რომელიც გახურებული, აბსოლუტურად შავი სხეულის სპექტრს ემთხვევა). თუმცა, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ეს გამოსხივება არ იქნა აღმოჩენილი, რაც შავი ხვრელების სრულიად დაბალ ტემპერატურაზე მიუთითებს.

სხვა საყოველთაოდ მიღებული თეორია ამბობს, რომ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას საერთოდ არ შეუძლია მოვლენის ჰორიზონტის დატოვება. სავარაუდოა, რომ ფოტონებს (მსუბუქ ნაწილაკებს) არ იზიდავს მასიური ობიექტები, რადგან თეორიის მიხედვით მათ თავად არ აქვთ მასა. თუმცა, შავი ხვრელი მაინც „იზიდავს“ სინათლის ფოტონებს სივრცე-დროის დამახინჯებით. თუ კოსმოსში შავ ხვრელს წარმოვიდგენთ, როგორც ერთგვარ დეპრესიას სივრცე-დროის გლუვ ზედაპირზე, მაშინ შავი ხვრელის ცენტრიდან არის გარკვეული მანძილი, რომლის მიახლოებასაც სინათლე ვეღარ შეძლებს მისგან დაშორებას. ანუ, უხეშად რომ ვთქვათ, სინათლე იწყებს „ჩავარდნას“ „ორმოში“, რომელსაც „ძირიც“ არ აქვს.

გარდა ამისა, გრავიტაციული წითელცვლის ეფექტის გათვალისწინებით, შესაძლებელია, რომ შავ ხვრელში შუქმა დაკარგოს სიხშირე, გადაინაცვლოს სპექტრის გასწვრივ დაბალი სიხშირის გრძელი ტალღის გამოსხივების რეგიონში, სანამ საერთოდ არ დაკარგავს ენერგიას.

ასე რომ, შავი ხვრელი შავია და, შესაბამისად, ძნელია კოსმოსში აღმოჩენა.

გამოვლენის მეთოდები

განვიხილოთ ის მეთოდები, რომლებსაც ასტრონომები იყენებენ შავი ხვრელის აღმოსაჩენად:

ზემოთ ნახსენები მეთოდების გარდა, მეცნიერები ხშირად უკავშირებენ ისეთ ობიექტებს, როგორიცაა შავი ხვრელები და. კვაზარები არის კოსმოსური სხეულებისა და გაზის ზოგიერთი დაგროვება, რომლებიც სამყაროს ყველაზე კაშკაშა ასტრონომიულ ობიექტებს შორისაა. ვინაიდან მათ აქვთ ლუმინესცენციის მაღალი ინტენსივობა შედარებით მცირე ზომებში, არსებობს საფუძველი ვიფიქროთ, რომ ამ ობიექტების ცენტრი არის სუპერმასიური შავი ხვრელი, რომელიც იზიდავს მიმდებარე მატერიას თავისკენ. ასეთი ძლიერი გრავიტაციული მიზიდულობის გამო, მოზიდული მატერია იმდენად თბება, რომ ინტენსიურად ასხივებს. ასეთი ობიექტების აღმოჩენა ჩვეულებრივ შედარებულია შავი ხვრელის აღმოჩენასთან. ზოგჯერ კვაზარებს შეუძლიათ გაცხელებული პლაზმის ნაკადების გამოსხივება ორი მიმართულებით - რელატივისტური ჭავლები. ასეთი ჭავლების გაჩენის მიზეზები ბოლომდე გასაგები არ არის, მაგრამ ისინი, სავარაუდოდ, გამოწვეულია შავი ხვრელის მაგნიტური ველების და აკრეციული დისკის ურთიერთქმედებით და არ გამოიყოფა პირდაპირი შავი ხვრელის მიერ.

თვითმფრინავი M87 გალაქტიკაში, რომელიც შავი ხვრელის ცენტრიდან ეჯახება

ზემოაღნიშნულის შეჯამებით, შეიძლება ახლოდან წარმოვიდგინოთ: ეს არის სფერული შავი ობიექტი, რომლის ირგვლივ ძლიერად გახურებული მატერია ბრუნავს და ქმნის მანათობელ აკრეციულ დისკს.

შავი ხვრელების შერწყმა და შეჯახება

ასტროფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო მოვლენაა შავი ხვრელების შეჯახება, რაც ასევე შესაძლებელს ხდის ასეთი მასიური ასტრონომიული სხეულების აღმოჩენას. ასეთი პროცესები საინტერესოა არა მხოლოდ ასტროფიზიკოსებისთვის, რადგან ისინი იწვევს ფიზიკოსების მიერ ცუდად შესწავლილ ფენომენებს. ყველაზე ნათელი მაგალითია ადრე ნახსენები მოვლენა სახელწოდებით GW150914, როდესაც ორი შავი ხვრელი ისე მიუახლოვდა, რომ ორმხრივი გრავიტაციული მიზიდულობის შედეგად ისინი გაერთიანდნენ ერთში. ამ შეჯახების მნიშვნელოვანი შედეგი იყო გრავიტაციული ტალღების გაჩენა.

გრავიტაციული ტალღების განმარტების მიხედვით, ეს არის გრავიტაციული ველის ცვლილებები, რომლებიც ტალღის მსგავსი გზით ვრცელდება მასიური მოძრავი ობიექტებიდან. როდესაც ორი ასეთი ობიექტი ერთმანეთს უახლოვდება, ისინი იწყებენ ბრუნვას საერთო სიმძიმის ცენტრის გარშემო. როდესაც ისინი ერთმანეთს უახლოვდებიან, მათი ბრუნვა საკუთარი ღერძის გარშემო იზრდება. გრავიტაციული ველის ასეთ ცვლადი რხევებს რაღაც მომენტში შეუძლია შექმნას ერთი ძლიერი გრავიტაციული ტალღა, რომელსაც შეუძლია კოსმოსში გავრცელება მილიონობით სინათლის წლის განმავლობაში. ასე რომ, 1,3 მილიარდი სინათლის წლის მანძილზე, მოხდა ორი შავი ხვრელის შეჯახება, რომელმაც შექმნა ძლიერი გრავიტაციული ტალღა, რომელმაც დედამიწამდე მიაღწია 2015 წლის 14 სექტემბერს და დაფიქსირდა LIGO და VIRGO დეტექტორებით.

როგორ კვდებიან შავი ხვრელები?

ცხადია, რომ შავმა ხვრელმა არსებობა შეწყვიტოს, მას მთელი მასა უნდა დაკარგოს. თუმცა, მისი განმარტებით, ვერაფერი დატოვებს შავ ხვრელს, თუ ის გადაკვეთს მის მოვლენათა ჰორიზონტს. ცნობილია, რომ პირველად საბჭოთა თეორიულმა ფიზიკოსმა ვლადიმერ გრიბოვმა ახსენა შავი ხვრელის მიერ ნაწილაკების გამოსხივების შესაძლებლობა სხვა საბჭოთა მეცნიერ იაკოვ ზელდოვიჩთან საუბრისას. ის ამტკიცებდა, რომ კვანტური მექანიკის თვალსაზრისით, შავ ხვრელს შეუძლია ნაწილაკების გამოსხივება გვირაბის ეფექტით. მოგვიანებით, კვანტური მექანიკის დახმარებით, მან ააგო საკუთარი, გარკვეულწილად განსხვავებული თეორია, ინგლისელი თეორიული ფიზიკოსი სტივენ ჰოკინგი. ამ ფენომენის შესახებ მეტი შეგიძლიათ წაიკითხოთ. მოკლედ, ვაკუუმში არის ეგრეთ წოდებული ვირტუალური ნაწილაკები, რომლებიც მუდმივად იბადებიან წყვილებში და ანადგურებენ ერთმანეთს, ამასთან არ ურთიერთობენ გარე სამყაროსთან. მაგრამ თუ ასეთი წყვილები წარმოიქმნება შავი ხვრელის მოვლენათა ჰორიზონტზე, მაშინ ძლიერ გრავიტაციას ჰიპოთეტურად შეუძლია მათი გამიჯვნა, ერთი ნაწილაკი შავ ხვრელში ჩავარდება, მეორე კი შავი ხვრელიდან შორდება. და რადგან ხვრელიდან გაფრენილი ნაწილაკი შეიძლება შეინიშნოს და, შესაბამისად, აქვს დადებითი ენერგია, ხვრელში ჩავარდნილ ნაწილაკს უარყოფითი ენერგია უნდა ჰქონდეს. ამრიგად, შავი ხვრელი დაკარგავს თავის ენერგიას და იქნება ეფექტი, რომელსაც შავი ხვრელის აორთქლება ეწოდება.

შავი ხვრელის არსებული მოდელების მიხედვით, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მასის კლებასთან ერთად მისი გამოსხივება უფრო ინტენსიური ხდება. შემდეგ, შავი ხვრელის არსებობის ბოლო ეტაპზე, როდესაც ის შეიძლება შემცირდეს კვანტური შავი ხვრელის ზომამდე, ის გამოყოფს უზარმაზარ ენერგიას რადიაციის სახით, რომელიც შეიძლება იყოს ათასობით ან თუნდაც ექვივალენტური. მილიონობით ატომური ბომბი. ეს მოვლენა გარკვეულწილად მოგვაგონებს შავი ხვრელის აფეთქებას, იგივე ბომბის მსგავსად. გამოთვლების მიხედვით, პირველყოფილი შავი ხვრელები შეიძლებოდა დაბადებულიყო დიდი აფეთქების შედეგად და ისინი, რომელთა მასა 10 12 კგ-ს უდრის, ჩვენს დროში უნდა აორთქლებულიყო და აფეთქებულიყო. როგორც არ უნდა იყოს, ასეთი აფეთქებები ასტრონომებს არასოდეს უნახავთ.

მიუხედავად ჰოკინგის მიერ შემოთავაზებული შავი ხვრელების განადგურების მექანიზმისა, ჰოკინგის გამოსხივების თვისებები იწვევს პარადოქსს კვანტურ მექანიკაში. თუ შავი ხვრელი შთანთქავს ზოგიერთ სხეულს და შემდეგ კარგავს ამ სხეულის შეწოვის შედეგად წარმოქმნილ მასას, მაშინ სხეულის ბუნების მიუხედავად, შავი ხვრელი არ განსხვავდება იმისგან, რაც იყო სხეულის შთანთქმამდე. ამ შემთხვევაში, ინფორმაცია სხეულის შესახებ სამუდამოდ იკარგება. თეორიული გამოთვლების თვალსაზრისით, საწყისი სუფთა მდგომარეობის გარდაქმნა შერეულ („თერმულ“) მდგომარეობაში არ შეესაბამება კვანტური მექანიკის ამჟამინდელ თეორიას. ამ პარადოქსს ზოგჯერ უწოდებენ ინფორმაციის გაქრობას შავ ხვრელში. ამ პარადოქსის რეალური გამოსავალი არასოდეს მოიძებნა. პარადოქსის გადაჭრის ცნობილი ვარიანტები:

• ჰოკინგის თეორიის შეუსაბამობა. ეს იწვევს შავი ხვრელის განადგურების შეუძლებლობას და მის მუდმივ ზრდას.
• თეთრი ხვრელების არსებობა. ამ შემთხვევაში, აბსორბირებული ინფორმაცია არ ქრება, არამედ უბრალოდ სხვა სამყაროში გადადის.
• კვანტური მექანიკის ზოგადად მიღებული თეორიის შეუსაბამობა.

შავი ხვრელის ფიზიკის გადაუჭრელი პრობლემა

თუ ვიმსჯელებთ იმ ყველაფრის მიხედვით, რაც ადრე იყო აღწერილი, შავ ხვრელებს, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი შედარებით დიდი ხნის განმავლობაში იყო შესწავლილი, მაინც აქვთ მრავალი მახასიათებელი, რომლის მექანიზმები მეცნიერებისთვის ჯერ კიდევ უცნობია.

• 1970 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ჩამოაყალიბა ე.წ. "კოსმოსური ცენზურის პრინციპი" - "ბუნება სძულს შიშველ სინგულარობას". ეს ნიშნავს, რომ სინგულარობა იქმნება მხოლოდ მხედველობისგან დაფარულ ადგილებში, შავი ხვრელის ცენტრის მსგავსად. თუმცა, ეს პრინციპი ჯერ არ არის დადასტურებული. ასევე არსებობს თეორიული გამოთვლები, რომლის მიხედვითაც შეიძლება მოხდეს „შიშველი“ სინგულარობა.
• არ არის დადასტურებული არც „თმის გარეშე თეორემა“, რომლის მიხედვითაც შავ ხვრელებს მხოლოდ სამი პარამეტრი აქვთ.
• შავი ხვრელის მაგნიტოსფეროს სრული თეორია შემუშავებული არ არის.
• გრავიტაციული სინგულარობის ბუნება და ფიზიკა არ არის შესწავლილი.
• ზუსტად არ არის ცნობილი რა ხდება შავი ხვრელის არსებობის ბოლო ეტაპზე და რა რჩება მისი კვანტური დაშლის შემდეგ.

საინტერესო ფაქტები შავი ხვრელების შესახებ

ზემოაღნიშნულის შეჯამებით, შეგვიძლია გამოვყოთ შავი ხვრელების ბუნების რამდენიმე საინტერესო და უჩვეულო მახასიათებელი:

• შავ ხვრელებს აქვთ მხოლოდ სამი პარამეტრი: მასა, ელექტრული მუხტი და კუთხოვანი იმპულსი. ამ სხეულის მახასიათებლების ასეთი მცირე რაოდენობის შედეგად, ამის თაობაზე თეორემას უწოდებენ "თმის გარეშე თეორემას". აქედან წარმოიშვა ფრაზა „შავ ხვრელს თმა არ აქვს“, რაც ნიშნავს, რომ ორი შავი ხვრელი აბსოლუტურად იდენტურია, მათი სამი პარამეტრი, რომელიც აღნიშნულია, იგივეა.
• შავი ხვრელების სიმკვრივე შეიძლება იყოს ჰაერის სიმკვრივეზე ნაკლები, ხოლო ტემპერატურა ახლოს არის აბსოლუტურ ნულთან. აქედან შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ შავი ხვრელის წარმოქმნა ხდება არა მატერიის შეკუმშვის გამო, არამედ დიდი რაოდენობით მატერიის გარკვეულ მოცულობაში დაგროვების შედეგად.
• შავი ხვრელების მიერ შთანთქმული სხეულების დრო გაცილებით ნელა გადის, ვიდრე გარე დამკვირვებლისათვის. გარდა ამისა, შთანთქმის სხეულები მნიშვნელოვნად არის დაჭიმული შავი ხვრელის შიგნით, რასაც მეცნიერები სპაგეტიფიკაციას უწოდებდნენ.
• ჩვენს გალაქტიკაში შეიძლება იყოს დაახლოებით მილიონი შავი ხვრელი.
• ალბათ ყველა გალაქტიკის ცენტრში არის სუპერმასიური შავი ხვრელი.
• მომავალში, თეორიული მოდელის მიხედვით, სამყარო მიაღწევს ეგრეთ წოდებულ შავი ხვრელების ეპოქას, როდესაც შავი ხვრელები გახდებიან დომინანტური სხეულები სამყაროში.

შავი ხვრელის კონცეფცია ყველასთვის ცნობილია - სკოლის მოსწავლეებიდან მოხუცებამდე, იგი გამოიყენება სამეცნიერო და ფანტასტიკურ ლიტერატურაში, ყვითელ მედიასა და სამეცნიერო კონფერენციებზე. მაგრამ ყველამ არ იცის ზუსტად რა არის ეს ხვრელები.

შავი ხვრელების ისტორიიდან

1783 წპირველი ჰიპოთეზა ისეთი ფენომენის არსებობის შესახებ, როგორიცაა შავი ხვრელი, წამოაყენა 1783 წელს ინგლისელმა მეცნიერმა ჯონ მიშელმა. თავის თეორიაში მან გააერთიანა ნიუტონის ორი ქმნილება - ოპტიკა და მექანიკა. მიშელის იდეა ასეთი იყო: თუ სინათლე არის პაწაწინა ნაწილაკების ნაკადი, მაშინ, როგორც ყველა სხვა სხეული, ნაწილაკებმაც უნდა განიცადონ გრავიტაციული ველის მიზიდულობა. გამოდის, რომ რაც უფრო მასიურია ვარსკვლავი, მით უფრო უჭირს სინათლეს წინააღმდეგობა გაუწიოს მის მიზიდულობას. მიშელიდან 13 წლის შემდეგ, ფრანგმა ასტრონომმა და მათემატიკოსმა ლაპლასმა წამოაყენა (სავარაუდოდ, მისი ბრიტანელი კოლეგისგან დამოუკიდებლად) მსგავსი თეორია.

1915 წთუმცა, მათი ყველა ნამუშევარი გამოუცხადებელი დარჩა მე-20 საუკუნის დასაწყისამდე. 1915 წელს ალბერტ აინშტაინმა გამოაქვეყნა ფარდობითობის ზოგადი თეორია და აჩვენა, რომ გრავიტაცია არის მატერიით გამოწვეული სივრცე-დროის გამრუდება, ხოლო რამდენიმე თვის შემდეგ გერმანელმა ასტრონომმა და თეორიულმა ფიზიკოსმა კარლ შვარცშილდმა გამოიყენა იგი კონკრეტული ასტრონომიული პრობლემის გადასაჭრელად. მან გამოიკვლია მზის გარშემო მრუდი სივრცე-დროის სტრუქტურა და ხელახლა აღმოაჩინა შავი ხვრელების ფენომენი.

(ჯონ უილერმა გამოიგონა ტერმინი "შავი ხვრელები")

1967 წამერიკელმა ფიზიკოსმა ჯონ უილერმა გამოკვეთა სივრცე, რომელიც შეიძლება დაიმსხვრა, როგორც ქაღალდის ნაჭერი, უსასრულოდ მცირე წერტილად და დაასახელა ტერმინი "შავი ხვრელი".

1974 წბრიტანელმა ფიზიკოსმა სტივენ ჰოკინგმა დაამტკიცა, რომ შავ ხვრელებს, მიუხედავად იმისა, რომ ისინი მატერიას უბრუნებად ყლაპავს, შეუძლიათ გამოსხივება და საბოლოოდ აორთქლება. ამ ფენომენს „ჰოკინგის გამოსხივება“ ეწოდება.

2013 წელიპულსარებისა და კვაზარების უახლესმა კვლევამ, ისევე როგორც კოსმოსური მიკროტალღური ფონის გამოსხივების აღმოჩენამ, საბოლოოდ შესაძლებელი გახადა შავი ხვრელების კონცეფციის აღწერა. 2013 წელს გაზის ღრუბელი G2 ძალიან ახლოს მივიდა შავ ხვრელთან და, სავარაუდოდ, ის შეიწოვება, უნიკალურ პროცესზე დაკვირვება დიდ შესაძლებლობებს იძლევა შავი ხვრელის მახასიათებლების ახალი აღმოჩენებისთვის.

(მასიური ობიექტი მშვილდოსანი A*, მისი მასა მზეზე 4 მილიონჯერ მეტია, რაც გულისხმობს ვარსკვლავთა გროვას და შავი ხვრელის წარმოქმნას.)

2017 წელი. მეცნიერთა ჯგუფმა Event Horizon Telescope-ის რამდენიმე ქვეყნის თანამშრომლობით, რომელიც აკავშირებს რვა ტელესკოპს დედამიწის კონტინენტების სხვადასხვა წერტილიდან, ჩაატარა დაკვირვება შავ ხვრელზე, რომელიც სუპერმასიური ობიექტია და მდებარეობს M87 გალაქტიკაში, თანავარსკვლავედი ქალწული. ობიექტის მასა არის 6,5 მილიარდი (!) მზის მასა, გიგანტური ჯერ უფრო დიდი ვიდრე მასიური ობიექტი Sagittarius A *, შედარებისთვის, დიამეტრი ოდნავ ნაკლებია ვიდრე მანძილი მზიდან პლუტონამდე.

დაკვირვებები განხორციელდა რამდენიმე ეტაპად, 2017 წლის გაზაფხულიდან დაწყებული და 2018 წლის პერიოდებში. ინფორმაციის რაოდენობა გამოითვლებოდა პეტაბაიტებში, რომელიც შემდეგ უნდა გაშიფრულიყო და ულტრა შორეული ობიექტის ნამდვილი სურათი მიეღო. ამიტომ, კიდევ ორი ​​მთელი წელი დასჭირდა ყველა მონაცემის წინასწარ სკანირებას და ერთ მთლიანობაში გაერთიანებას.

2019 წელიმონაცემები წარმატებით იქნა გაშიფრული და ხილული, რის შედეგადაც შეიქმნა შავი ხვრელის პირველი სურათი.

(შავი ხვრელის პირველი სურათი M87 გალაქტიკაში ქალწულის თანავარსკვლავედში)

გამოსახულების გარჩევადობა საშუალებას გაძლევთ იხილოთ ობიექტის ცენტრში უკუქცევის წერტილის ჩრდილი. გამოსახულება მიღებული იქნა ინტერფერომეტრიული დაკვირვების შედეგად ზედმეტი გრძელი საბაზისო ხაზით. ეს არის ეგრეთ წოდებული სინქრონული დაკვირვებები ერთი ობიექტის რამდენიმე რადიოტელესკოპიდან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული ქსელით და მდებარეობს დედამიწის სხვადასხვა კუთხეში, მიმართული ერთი მიმართულებით.

რა არის სინამდვილეში შავი ხვრელები?

ფენომენის ლაკონური ახსნა ასე ჟღერს.

შავი ხვრელი არის სივრცე-დროის რეგიონი, რომლის გრავიტაციული მიზიდულობა იმდენად ძლიერია, რომ ვერცერთი ობიექტი, მათ შორის მსუბუქი კვანტები, ვერ დატოვებს მას.

შავი ხვრელი ოდესღაც მასიური ვარსკვლავი იყო. სანამ თერმობირთვული რეაქციები ინარჩუნებს მაღალ წნევას მის ნაწლავებში, ყველაფერი ნორმალურად რჩება. მაგრამ დროთა განმავლობაში ენერგიის მარაგი იწურება და ციური სხეული, საკუთარი მიზიდულობის გავლენით, იწყებს შეკუმშვას. ამ პროცესის ბოლო ეტაპი არის ვარსკვლავის ბირთვის კოლაფსი და შავი ხვრელის წარმოქმნა.

• 1. შავი ხვრელის ჭავლის ამოფრქვევა დიდი სიჩქარით


• 2. მატერიის დისკი იზრდება შავ ხვრელად


• 3. შავი ხვრელი


• 4. შავი ხვრელის რეგიონის დეტალური სქემა


• 5. ნაპოვნი ახალი დაკვირვებების ზომა

ყველაზე გავრცელებული თეორია ამბობს, რომ მსგავსი ფენომენი არის ყველა გალაქტიკაში, მათ შორის ჩვენი ირმის ნახტომის ცენტრში. ხვრელის უზარმაზარ გრავიტაციას შეუძლია რამდენიმე გალაქტიკის გამართვა მის გარშემო, რაც ხელს უშლის მათ ერთმანეთისგან დაშორებას. „დაფარვის ზონა“ შეიძლება იყოს განსხვავებული, ეს ყველაფერი დამოკიდებულია შავ ხვრელად ქცეული ვარსკვლავის მასაზე და შეიძლება იყოს ათასობით სინათლის წელი.

შვარცშილდის რადიუსი

შავი ხვრელის მთავარი თვისება ის არის, რომ მასში მოხვედრილი ნებისმიერი მატერია ვეღარასოდეს დაბრუნდება. იგივე ეხება სინათლეს. მათ ბირთვში ხვრელები არის სხეულები, რომლებიც მთლიანად შთანთქავენ მათზე მოხვედრილ სინათლეს და არ ასხივებენ საკუთარს. ასეთი ობიექტები შეიძლება ვიზუალურად გამოჩნდეს აბსოლუტური სიბნელის კოლტების სახით.

• 1. მატერიის მოძრავი სინათლის სიჩქარის ნახევარი


• 2. ფოტონის ბეჭედი


• 3. შიდა ფოტონის რგოლი


• 4. მოვლენათა ჰორიზონტი შავ ხვრელში

აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიაზე დაყრდნობით, თუ სხეული უახლოვდება ხვრელის ცენტრიდან კრიტიკულ მანძილზე, ის ვეღარ დაბრუნდება. ამ მანძილს შვარცშილდის რადიუსი ეწოდება. კონკრეტულად რა ხდება ამ რადიუსში უცნობია, მაგრამ არსებობს ყველაზე გავრცელებული თეორია. ითვლება, რომ შავი ხვრელის მთელი მატერია კონცენტრირებულია უსასრულოდ პატარა წერტილში და მის ცენტრში არის უსასრულო სიმკვრივის ობიექტი, რომელსაც მეცნიერები უწოდებენ სინგულარულ აშლილობას.

როგორ ვარდება შავ ხვრელში

(სურათზე მშვილდოსანი A * შავი ხვრელი სინათლის უკიდურესად კაშკაშა გროვას ჰგავს)

არც ისე დიდი ხნის წინ, 2011 წელს, მეცნიერებმა აღმოაჩინეს გაზის ღრუბელი, რომელსაც უწოდეს მარტივი სახელი G2, რომელიც ასხივებს უჩვეულო სინათლეს. ასეთმა ნათებამ შეიძლება გამოიწვიოს ხახუნი გაზსა და მტვერში, რომელიც გამოწვეულია შავი ხვრელის Sagittarius A * მოქმედებით და რომელიც ბრუნავს მის გარშემო აკრეციული დისკის სახით. ამრიგად, ჩვენ ვხდებით სუპერმასიური შავი ხვრელის მიერ გაზის ღრუბლის შთანთქმის საოცარი ფენომენის დამკვირვებლები.

ბოლო კვლევების თანახმად, შავ ხვრელთან ყველაზე ახლოს 2014 წლის მარტში მოხდება. ჩვენ შეგვიძლია ხელახლა შევქმნათ სურათი, თუ როგორ წარიმართება ეს საინტერესო სპექტაკლი.

• 1. როდესაც ის პირველად ჩნდება მონაცემებში, გაზის ღრუბელი წააგავს გაზისა და მტვრის უზარმაზარ ბურთულას.


• 2. ახლა, 2013 წლის ივნისის მონაცემებით, ღრუბელი ათობით მილიარდი კილომეტრით არის დაშორებული შავი ხვრელიდან. მასში ვარდება 2500 კმ/წმ სიჩქარით.


• 3. მოსალოდნელია, რომ ღრუბელი გაივლის შავ ხვრელს, მაგრამ მოქცევის ძალები, რომლებიც გამოწვეულია მიზიდულობის სხვაობით, რომელიც მოქმედებს ღრუბლის წინა და უკანა კიდეებზე, გამოიწვევს მის უფრო და უფრო გახანგრძლივებას.


• 4. ღრუბლის გატეხვის შემდეგ, მისი უმეტესი ნაწილი, დიდი ალბათობით, შეუერთდება აკრეციულ დისკს Sagittarius A*-ის გარშემო და წარმოქმნის მასში დარტყმის ტალღებს. ტემპერატურა რამდენიმე მილიონ გრადუსამდე მოიმატებს.


• 5. ღრუბლის ნაწილი პირდაპირ შავ ხვრელში ჩავარდება. ზუსტად არავინ იცის, რა ბედი ეწევა ამ ნივთიერებას, მაგრამ მოსალოდნელია, რომ დაცემის პროცესში ის რენტგენის სხივების მძლავრ ნაკადებს გამოსცემს და სხვა ვერავინ დაინახავს.

ვიდეო: შავი ხვრელი გაზის ღრუბელს ყლაპავს

(კომპიუტერული სიმულაცია იმის შესახებ, თუ რამდენი G2 გაზის ღრუბელი განადგურდება და მოიხმარს შავი ხვრელი Sagittarius A*)

რა არის შავი ხვრელის შიგნით

არსებობს თეორია, რომელიც ამტკიცებს, რომ შავი ხვრელი შიგნით პრაქტიკულად ცარიელია და მთელი მისი მასა კონცენტრირებულია წარმოუდგენლად პატარა წერტილში, რომელიც მდებარეობს მის ცენტრში - სინგულარობა.

კიდევ ერთი თეორიის თანახმად, რომელიც არსებობს ნახევარი საუკუნის განმავლობაში, ყველაფერი, რაც შავ ხვრელში ვარდება, გადადის სხვა სამყაროში, რომელიც მდებარეობს თავად შავ ხვრელში. ახლა ეს თეორია არ არის მთავარი.

და არსებობს მესამე, ყველაზე თანამედროვე და გამძლე თეორია, რომლის მიხედვითაც ყველაფერი, რაც შავ ხვრელში ვარდება, იხსნება მის ზედაპირზე არსებული სიმების ვიბრაციით, რომელიც მოვლენის ჰორიზონტად არის დანიშნული.

რა არის მოვლენის ჰორიზონტი? შეუძლებელია შავ ხვრელში ჩახედვა სუპერმძლავრი ტელესკოპითაც კი, რადგან სინათლესაც კი, რომელიც გიგანტურ კოსმოსურ ძაბრში მოხვდება, უკან გამოჩენის შანსი არ აქვს. ყველაფერი, რაც შეიძლება რატომღაც განიხილება, მის უშუალო სიახლოვესაა.

მოვლენათა ჰორიზონტი არის ზედაპირის პირობითი ხაზი, რომლის ქვეშაც ვერაფერი (არც გაზი, ვერც მტვერი, ვერც ვარსკვლავები, ვერც სინათლე) ვერ გაძვრება. და ეს არის ძალიან იდუმალი წერტილი სამყაროს შავ ხვრელებში.

ოჰაიოს უნივერსიტეტის ასტრონომებმა ცოტა ხნის წინ გამოაცხადეს, რომ ანდრომედას გალაქტიკაში უჩვეულო ორმაგი ბირთვი განპირობებულია ვარსკვლავების გროვებით, რომლებიც ბრუნავს ელიფსურ ორბიტაზე რაღაც მასიური ობიექტის, სავარაუდოდ შავი ხვრელის გარშემო. ასეთი დასკვნები გაკეთდა ჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპის გამოყენებით მიღებული მონაცემების საფუძველზე. ანდრომედას ორმაგი ბირთვი პირველად 70-იან წლებში აღმოაჩინეს, მაგრამ შავი ხვრელების თეორია მხოლოდ 90-იანი წლების შუა ხანებამდე იქნა წამოყენებული.

იდეა, რომ შავი ხვრელები არსებობს გალაქტიკების ბირთვებში, ახალი არ არის.

ყველა საფუძველიც კი არსებობს იმის დასაჯერებლად, რომ ირმის ნახტომს - გალაქტიკას, რომელსაც დედამიწა ეკუთვნის - აქვს დიდი შავი ხვრელი მის ბირთვში, რომლის მასა მზის მასაზე 3 მილიონჯერ აღემატება. თუმცა, უფრო ადვილია ანდრომედას გალაქტიკის ბირთვის შესწავლა, რომელიც მდებარეობს ჩვენგან 2 მილიონი სინათლის წლის მანძილზე, ვიდრე ჩვენი გალაქტიკის ბირთვი, რომლისკენაც სინათლე მხოლოდ 30 ათასი წლის მანძილზე მოგზაურობს - ტყეს ვერ ხედავ. ხეები.

მეცნიერები ახდენენ შავი ხვრელის შეჯახების სიმულაციას

ციფრული სიმულაციის გამოყენება სუპერკომპიუტერებზე შავი ხვრელების ბუნებისა და ქცევის გასარკვევად, გრავიტაციული ტალღების შესწავლა.

პირველად, გრავიტაციული ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერებმა (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), ასევე ცნობილი როგორც "ალბერტ აინშტაინის ინსტიტუტი" და მდებარეობს ჰოლმში, პოტსდამის გარეუბანში (გერმანია), იმიტირებული იქნა ორი შავის შერწყმა. ხვრელები. ორი შერწყმული შავი ხვრელის მიერ გამოსხივებული გრავიტაციული ტალღების დაგეგმილი აღმოჩენა მოითხოვს სრულ 3D სიმულაციას სუპერკომპიუტერებზე.

შავი ხვრელები იმდენად მკვრივია, რომ ისინი საერთოდ არ ირეკლავენ და არ ასხივებენ სინათლეს, რის გამოც მათი აღმოჩენა ასე რთულია. თუმცა, რამდენიმე წელიწადში მეცნიერები ამ სფეროში მნიშვნელოვან ცვლილებას იმედოვნებენ.

გრავიტაციული ტალღები, რომლებიც ფაქტიურად ავსებს გარე სივრცეს, მომდევნო საუკუნის დასაწყისში შეიძლება აღმოაჩინოს ახალი საშუალებების დახმარებით.

მეცნიერები პროფესორ ედ სეიდელის (დოქტორი ედ სეიდელი) ხელმძღვანელობით ამზადებენ ციფრულ სიმულაციებს ასეთი კვლევებისთვის, რაც დამკვირვებელთათვის საიმედო გზა იქნება შავი ხვრელების მიერ წარმოქმნილი ტალღების აღმოსაჩენად. „შავი ხვრელის შეჯახება გრავიტაციული ტალღების ერთ-ერთი მთავარი წყაროა“, - თქვა პროფესორმა სეიდელმა, რომელიც ბოლო წლებში წარმატებულ კვლევას აწარმოებს გრავიტაციული ტალღების მოდელირებაში, რომლებიც წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც შავი ხვრელები იშლება პირდაპირი შეჯახებისას.

თუმცა, ორი სპირალური შავი ხვრელის ურთიერთქმედება და მათი შერწყმა უფრო ხშირია, ვიდრე პირდაპირი შეჯახება და უფრო დიდი მნიშვნელობა აქვს ასტრონომიაში. ასეთი ტანგენციალური შეჯახება პირველად გამოთვალა ბერნდ ბრუგმანმა ალბერტ აინშტაინის ინსტიტუტიდან.

თუმცა, იმ დროს, გამოთვლითი სიმძლავრის ნაკლებობის გამო, მან ვერ გამოთვალა ისეთი ფუნდამენტურად მნიშვნელოვანი დეტალები, როგორიცაა გამოსხივებული გრავიტაციული ტალღების ზუსტი კვალი, რომელიც შეიცავს მნიშვნელოვან ინფორმაციას შეჯახების დროს შავი ხვრელების ქცევის შესახებ. ბრუგმანმა გამოაქვეყნა უახლესი შედეგები თანამედროვე ფიზიკის საერთაშორისო ჟურნალში.

თავის პირველ გამოთვლებში ბრუგმანმა გამოიყენა ინსტიტუტის Origin 2000 სერვერი. იგი მოიცავს 32 ცალკეულ პროცესორს, რომლებიც მუშაობენ პარალელურად, ჯამური მაქსიმალური შესრულების 3 მილიარდი ოპერაცია წამში. და ამ წლის ივნისში, ბრუგმანის, სეიდელისა და სხვათა საერთაშორისო გუნდი უკვე მუშაობდა ბევრად უფრო მძლავრ 256-პროცესორიან Origin 2000 სუპერკომპიუტერზე სუპერკომპიუტერის აპლიკაციების ეროვნულ ცენტრში (NCSA). ჯგუფში ასევე შედიოდნენ მეცნიერები

ლუის უნივერსიტეტი (აშშ) და ბერლინის კვლევითი ცენტრის Konrad-Zuse-Zentrum. ამ სუპერკომპიუტერმა წარმოადგინა უთანასწორო მასის შავი ხვრელების ტანგენციალური შეჯახების პირველი დეტალური სიმულაცია, ისევე როგორც მათი ბრუნვა, რომელიც ბრუგმანმა ადრე გამოიკვლია. ვერნერ ბენგერმა Konrad-Zuse-Zentrum-დან კი მოახერხა შეჯახების პროცესის განსაცვიფრებელი სურათის რეპროდუცირება. აჩვენეს, თუ როგორ გაერთიანდნენ „შავი მონსტრები“, რომელთა მასა მზის მასის ერთიდან რამდენიმე ასეულ მილიონამდეა, შექმნა გრავიტაციული ტალღების აფეთქებები, რომელთა დაფიქსირებაც მალე შეიძლებოდა სპეციალური საშუალებებით.

ამ კვლევის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგი იყო შავი ხვრელების შეჯახების შედეგად გამოსხივებული უზარმაზარი ენერგიის აღმოჩენა გრავიტაციული ტალღების სახით. თუ 10 და 15 მზის მასის ექვივალენტური მასის მქონე ორი ობიექტი უახლოვდება ერთმანეთს 30 მილზე უფრო ახლოს და დაეჯახება, მაშინ გრავიტაციული ენერგიის რაოდენობა შეესაბამება მათი მასის 1%-ს. "ეს ათასჯერ მეტია, ვიდრე მთელი ჩვენი მზის მიერ გათავისუფლებული ენერგია ბოლო ხუთი მილიარდი წლის განმავლობაში." ბრუგმანმა აღნიშნა. ვინაიდან სამყაროში დიდი შეჯახების უმეტესობა ხდება დედამიწიდან ძალიან შორს, სიგნალები უნდა გახდეს ძალიან სუსტი იმ დროისთვის, როდესაც ისინი მიწაზე მოხვდებიან.

მთელ მსოფლიოში დაიწყო რამდენიმე მაღალი სიზუსტის დეტექტორის მშენებლობა.

ერთ-ერთი მათგანი, რომელიც აშენდა მაქს პლანკის ინსტიტუტის მიერ გერმანულ-ბრიტანული პროექტის "Geo 600" ფარგლებში, არის ლაზერული ინტერფერომეტრი, რომლის სიგრძეა 0,7 მილი. მეცნიერები იმედოვნებენ, რომ გაზომონ მოკლე გრავიტაციული აშლილობის პარამეტრები, რომლებიც წარმოიქმნება შავი ხვრელების შეჯახებისას, მაგრამ ისინი ელიან მხოლოდ ერთ ასეთ შეჯახებას წელიწადში და დაახლოებით 600 მილიონი სინათლის წლის მანძილზე. საჭიროა კომპიუტერული მოდელები, რათა დამკვირვებლებს მივაწოდოთ სანდო ინფორმაცია შავი ხვრელების მიერ წარმოქმნილი ტალღების აღმოჩენის შესახებ. სუპერკომპიუტერის სიმულაციის შესაძლებლობების გაუმჯობესების წყალობით, მეცნიერები ახალი ტიპის ექსპერიმენტული ფიზიკის მწვერვალზე არიან.

ასტრონომები ამბობენ, რომ მათ იციან ათასობით შავი ხვრელის მდებარეობა, მაგრამ ჩვენ არ ვართ იმ მდგომარეობაში, რომ მათზე რაიმე ექსპერიმენტი ჩავატაროთ დედამიწაზე. „მხოლოდ ერთ შემთხვევაში შევძლებთ დეტალების შესწავლას და მათი რიცხვითი მოდელის აგებას ჩვენს კომპიუტერებში და დავაკვირდებით“, - განმარტა პროფესორმა ბერნარდ შუტციმა, ალბერტ აინშტაინის ინსტიტუტის დირექტორმა. „მჯერა, რომ შავი ხვრელების შესწავლა იქნება ასტრონომების მთავარი კვლევის თემა მომდევნო საუკუნის პირველ ათწლეულში.

სატელიტური ვარსკვლავი საშუალებას გაძლევთ იხილოთ მტვერი სუპერნოვადან.

შავი ხვრელების პირდაპირ დანახვა შეუძლებელია, მაგრამ ასტრონომებს შეუძლიათ დაინახონ მათი არსებობის მტკიცებულება, როდესაც აირები იფეთქებენ კომპანიონ ვარსკვლავში.

თუ დინამიტი აფეთქდა, მაშინ ასაფეთქებელი ნივთიერების პაწაწინა ფრაგმენტები ღრმად შეიჭრება ახლომდებარე ობიექტებში, რითაც დატოვებს აფეთქების წარუშლელ მტკიცებულებებს.

ასტრონომებმა იპოვეს მსგავსი ანაბეჭდი ვარსკვლავზე, რომელიც შავი ხვრელის ირგვლივ ტრიალებს, უსაფუძვლოდ არ სჯერათ, რომ ეს შავი ხვრელი - ყოფილი ვარსკვლავი, რომელიც ისე ძლიერად ჩამოინგრა, რომ სინათლეც კი ვერ გადალახავს მის გრავიტაციულ ძალას - სუპერნოვას აფეთქების შედეგი იყო.

სინათლე სიბნელეში.

ამ დროისთვის ასტრონომებმა დააკვირდნენ სუპერნოვას აფეთქებებს და მათ ადგილას აღმოაჩინეს ლაქები, რომლებიც, მათი აზრით, შავი ხვრელია. ახალი აღმოჩენა ერთ მოვლენასა და მეორეს შორის კავშირის პირველი რეალური მტკიცებულებაა. (შავი ხვრელების პირდაპირ დანახვა შეუძლებელია, მაგრამ მათი არსებობა ზოგჯერ შეიძლება დავასკვნათ მათი გრავიტაციული ველის ზემოქმედებით ახლომდებარე ობიექტებზე.

ვარსკვლავი და შავი ხვრელების სისტემა, სახელწოდებით GRO J1655-40, მდებარეობს დაახლოებით 10000 სინათლის წლის მანძილზე ჩვენს გალაქტიკაში ირმის ნახტომი. აღმოჩენილი 1994 წელს, მან მიიპყრო ასტრონომების ყურადღება რენტგენის სხივების ინტენსიური აფეთქებით და რადიოტალღების ნაკადით, როდესაც შავმა ხვრელმა აირები გამოიდევნა თავისი კომპანიონი ვარსკვლავისკენ 7,4 მილიონი მილის დაშორებით.

მკვლევარებმა ესპანეთიდან და ამერიკიდან დაიწყეს კომპანიონ ვარსკვლავზე დაკვირვება, თვლიდნენ, რომ მას შეეძლო რაიმე სახის კვალი შეენარჩუნებინა, რაც მიუთითებს შავი ხვრელის ფორმირების პროცესზე.

ვარაუდობენ, რომ ვარსკვლავის ზომის შავი ხვრელები არის დიდი ვარსკვლავების სხეულები, რომლებიც უბრალოდ ამ ზომამდე შემცირდა წყალბადის საწვავის მთელი მოხმარების შემდეგ. მაგრამ ჯერ გაუგებარი მიზეზების გამო, ჩამქრალი ვარსკვლავი აფეთქებამდე სუპერნოვად გარდაიქმნება.

GRO J1655-40 სისტემის მიერ 1994 წლის აგვისტოში და სექტემბერში დაკვირვებამ შესაძლებელი გახადა დაფიქსირებულიყო, რომ ამოფრქვეული აირის ნაკადებს ჰქონდათ სინათლის სიჩქარის 92%-მდე სიჩქარე, რამაც ნაწილობრივ დაადასტურა იქ შავი ხვრელის არსებობა.

ვარსკვლავის მტვერი.

თუ მეცნიერები არ ცდებიან, მაშინ აფეთქებული ვარსკვლავების ნაწილი, რომელიც ალბათ ჩვენს მზეზე 25-40-ჯერ დიდია, გადარჩენილ თანამგზავრებად გადაიქცა.

ეს არის ზუსტად ის მონაცემები, რაც ასტრონომებმა აღმოაჩინეს.

თანამგზავრი ვარსკვლავის ატმოსფერო შეიცავდა ჟანგბადის, მაგნიუმის, სილიციუმის და გოგირდის ჩვეულებრივზე მაღალ კონცენტრაციას - მძიმე ელემენტებს, რომლებიც უხვად შეიძლება შეიქმნას მხოლოდ მრავალმილიარდ გრადუსიან ტემპერატურაზე, რომელიც მიიღწევა სუპერნოვას აფეთქების დროს. ეს იყო პირველი მტკიცებულება, რომელმაც ნამდვილად დაადასტურა თეორიის მართებულობა იმის შესახებ, რომ ზოგიერთი შავი ხვრელი პირველად გაჩნდა სუპერნოვას სახით, რადგან ის, რაც მათ ნახეს, ვერ დაიბადებოდა ასტრონომების მიერ დაკვირვებული ვარსკვლავის მიერ.