Global Lithuanian Net:    san-taka station:

Juodųjų skylių paradoksai

Taip pat skaitykite Ties juodųjų skylių horizontu  
Juodosios skylės ne tokios jau ir juodos  

Juodosios skylės visad audrino astrofizikų ir kosmologų vaizduotę. A. Einšteinas iki gyvenimo pabaigos nepripažino jų egzistavimo galimybės. Tai neigė ir jo pasekėjai. Tačiau pamažu teoretikai ne tik įrodė, kad tokie dariniai įmanomi, nes neprieštarauja fizikos dėsniams, bet ir nustatė naujas jų savybes.

Pasirodė, kad be įprastų skylių (žvaigždžių masės) galimos ir kitų dviejų tipų – a) gigantiškos (milijonų ir net milijardų Saulių masės – tokios galėjo atsirasti Visatos kilties metu, o taip pat susiliejus įprastoms juodosioms skylėms; laikoma, kad supermasyvios juodosios skylės yra daugelių galaktikų, tarp jų ir mūsų, centre); b) mikro-skylės, vos milijardinių gramų dalių (susidarančių fizikinių kūnų susidūrimo metu; yra manančių, kad jos gali susidaryti ir greitintuvuose). Galiausiai S. Hokingas teoriškai pagrindė, kad bet kurio tipo juodosios skylės gali „garuoti“.

Tai netikėta, nes jos ir vadintos „juodosiomis“, nes viską sutraukia, o nieko neišleidžia. Tačiau Hokingas joms pritaikė kvantinius principus – kad šalia horizonto turi nuolat formuotis dalelių ir antidalelių porų formavimasis, kurios beveik iškart vėl jungdavosi. Tačiau jei viena tokia dalelė atsiras virš horizonto, o kita – po juo, tai pirmoji turės šansą ištrūkti iš skylės traukos lauko, išsinešdamos tam tikrą energiją ir masę. Tačiau žvaigždžių masės skylės iš aplinkos pritraukia daugiau nei išleidžia; Mėnulio masės žvaigždės srautai turi susilyginti, o mikroskylės privalo visiškai išgaruoti. Įdomu, kad spinduliavimas paklūsta tiems pat dėsniams kaip ir visiškai juodo kūno spinduliavimas – ir tai pateisina „juodosios skylės“ pavadinimą, nepaisant, kad ji ne visai „juoda“ gravitaciniu požiūriu.

Tačiau Hokingas parodė ir kai ką svarbiau. Pasirodo, kad Hokingo spinduliavimas, jei jį pavyktų išmatuoti, savyje neturi, skirtingai nuo įprastinio šiluminio spinduliavimo, jokios informacijos apie savo šaltinį Juodosios skylės horizonto garavimas be trijų charakteristikų – masės, krūvio (jei jį turi) ir sukimosi greitį (jei jis yra). Lengva astrofiziko Džono Vilerio ranka toji išvada gavo „plikos skylės teoremos“ pavadinimą (skylės horizontas neturi jokių „plaukų“ ta prasme, kad jis neturi jokių atpažinimo ženklų išskyrus minėtus tris).

Grubiai tai galima paaiškinti taip. Abi ties horizonte atsiradusios dalelės susijusios tam tikra funkcija, apibūdinančia jų bendrą būseną (tas ryšis vadinamas „kvantiniu susiejimu“) – ir net jei jos išsiskirs bet kokiu atstumu, vienos dalelės pokytis iškart sukels kitos būseną taip, kad bendra būsena išliktų nepakitusi (paskutiniu metu gauti eksperimentiniai šio dėsnio patvirtinimai kelių kilometrų atstumu).

Ši „banginė funkcija“ yra pagrindu skaičiuojant būsimą sistemos elgsenos tikimybes, t.y. gaunant informaciją apie ją, nes tos funkcijos išlaikymas yra ne kas kita, kaip informacijos išsaugojimas jos kvantine-mechanine forma. Ir čia kyla sunkiausias paradoksas, nes Hokingo spinduliavimas šį informacijos išlaikymo dėsnį pažeidžia. Juk iki tol, kol dalelių pora atsiranda ties horizontu, jų bendra funkcija (bendra informacija apie jas) buvo lygi nuliui. Joms atsiradus, ji išliko nuline, nes tai dalelės-antidalelės pora. Tada viena jų „išgaravo“, o kita nukris į singuliarumą – kartu su visa savo informacija. Kad bendra informacija liktų lygi nuliui, iš juodosios skylės ištrūkusi dalelė privalo tą pačią akimirką prarasti visą jos nešamą informaciją.

Kitaip tariant, išgaravusi dalelė su savimi neatneša jokios informacijos apie tą vietą, iš kurios ištrūko. Kyla klausimas – kur dingo ta informacija, kuri įėjo į juodąją skylę kartu su medžiaga iš išorės? Negi dingsta negrįžtamai.

Toks „informacinis paradoksas“ – į juodąją skylę įkritusi informacija dingsta be pėdsakų, taip sugriaudama kvantinį jos išsaugojimo dėsnį. Savo laiku šis dėsnis gerokai sujudino fizikų gretas, juos padalinęs į dvi stovyklas. Vieni, kaip Hokingas, laikė, kad paradoksas tikras ir verčia peržiūrėti kvantinius dėsnius, nes kitaip nepavyks suderinti su gravitacijos teorija. Kiti ėmė giliau tirti Hokingo spinduliavimą.

Pirmieji pasiūlė naują hipotezę, kad viskas, kas vyksta Visatos gelmėse (kur galioja tik gravitacijos dėsniai), „atspindima“ arba „užrašoma“ į kokį nors be galo tolimą „Visatos paviršių“ (kur galioja tik kvantiniai dėsniai) – ir ten išsaugoma net ir toji informacija, kuri Visatoje tarsi dingsta. Ši teorija gavo „holografinės teorijos“ pavadinimą, nes toks trimatės informacijos „užrašas“ (neaišku, kaip atliekamas) dvimatės pavidalu primena holografijos principus (objekto trimačio vaizdo sukūrimą iš dvimačio vaizdo).

Tačiau antrosios stovyklos fizikų netenkino, toks, prisipažinkime, gana keistas, pasiūlymas. Jie atskleidė naują Hokingo spinduliavimo savybę: pasirodo, kad „išgaravusi“ dalelė ‚susieta“ ne tik su savo „partnere“ poroje, bet ir visomis kada nors ištrūkusiomis dalelėmis, kurios kartu sudaro savotišką sistemą, apibūdinamą „bendra būsenos funkcija“.

Ir tai naujas nokautas kvantinei teorijai, pagal kurią negali būti daugiau nei dviejų susijusių dalelių. Dabar tenka ropštis iš šio naujo paradokso. Ir tada Polčinskio grupė iš Kalifornijos pasiūlė: yra kažkas tokio kvantiniuose dėsniuose, kas leidžia nutraukti vieną iš dviejų galimų „sąsajų“. Tik kurią ir kaip? Lengviau jau paaukoti išgaravusios dalelės ryšį su savo partnere. Juk tada ši dalelė galėtų išsinešti informaciją ir nenutiktų informacijos išsaugojimo dėsnio pažeidimo.

Taip fizikai priėjo išvados, kad tokio ryšio nutraukimo metu dalelė privalo įgauti papildomą, ir gana nemažą energiją. Tad jei dalelė nutraukia poros ryšį, tai ji kažkur pakeliui praeina pro kažkokį erdvės sluoksnį su nepaprastai aukšta temperatūra, kuriame ir įgauna tą papildomą energiją. Tad aplink kiekvieną juodąją skylę privalo egzistuoti sluoksnis su milžiniška energija. Jie tą sluoksnį pavadino „ugniasiene“ (firewall).

Lenkų ir šveicarų astronomai stebėjo, kaip masyvi juodoji skylė NGC 4845 galaktikos centre (už 47 mln. šv.m.) prabudo iš daugiamečio snaudulio, kad prarytų nedidelės masės objektą – raudonąją nykštukę arba milžinę planetą, neatsargiai priartėjusią prie nematomos plėšrūnės, kurios masė apie 300 tūkst. kartų didesnė už Saulės. Tai nustatyta ESA kosminės observatorijos „Integral“ (iškeltos 2002 m.) pagalba, o vėliau stebėta iš aparatų XMM-Newton (ESA), Swift (NASA) ir rentgeno teleskopu MAXI japonų modulyje, įrengtame TKS.

Maksimumą spinduliavimas pasiekė 2011 m. sausį, kai galaktika tapo ryškesnė trimis laipsnių eilėmis, nors iki tol 20-30 m. buvo rami. Mokslininkai nustatė, kad to priežastimi buvo 14-30 Jupiterio masių dydžio objekto „suvirškinimas“. Manoma, kad susiurbta buvo 10% objekto. Toks reiškinys stebėtas pirmąkart.

Tačiau juodųjų skylių paradoksai su tuo nesibaigė. „Ugniasienės“ hipotezė išlaikė kvantinį informacijos išsaugojimo dėsnį, tačiau pažeidė Einšteino gravitacijos teorijos dėsnį. Toji teorija pagrįsta gravitacijos ir judėjimo su pagreičiu ekvivalentiškumu. Iš to principo seka, kad, laisvai krisdami į gravitacinį lauką, visąlaik būsite nesvarumo būsenoje ir nė vienas kritimo taškas nesiskirs nuo kito. Net krentant į juodąją skylę, jos horizontas niekuo nesiskirs nuo kitų trajektorijos taškų. Tačiau „ugniasienės“ hipotezė teigia, kad pereinant horizontą privalote pajusti skirtumą ir netgi gana didelį, nes ten randasi „milžiniškos energijos sluoksnis“.

Tačiau 1914 m. pradžioje po dviejų metų apmąstymų S. Hokingas tiesiog pribloškė pasaulį nauju straipsniu, kuriame pasiūlė išeitį iš tos beviltiškos padėties. Jis tiesiog nubraukė teiginį, kad juodosios skylės turi kažkokį horizontą, žemiau kurio niekas negrįžta. Milžiniškos jėgos gravitaciniame lauke dėl kvantinių efektų gali atsirasti tokios „erdvėlaikio pulsacijos“, kurios visiškai nutrina tą, laikyta griežta, ribą, tad iš bet kurios juodosios skylės galiausiai turi išeiti visa į ją sukritusi informacija. O jei juodosios skylės neturi griežto horizonto, tai, ta prasme, nėra ir pačių juodųjų skylių – tai, iš esmės, laikini dariniai, kuriuos supa tai, ką Hokingas vadina „regimu horizontu“. Griežtai tariant, tokios skylės neturi ir singuliarumo centre, todėl į jas patekusi medžiaga lėtai slinks link centro, tačiau jo niekada nepasieks.

Tuo pat metu „augant“ juodajai skylei (dėl į ją krintančios medžiagos) jos „regimas horizontas“ taps vis „skaidresnis“ informacijai. Tad nelieka jokio „informacinio paradokso“ ir informacijos išsilaikymo dėsnis nepažeidžiamas neįvedant jokių „ugniasienių“. Beje, anot Hokingo, juodosios skylės viduje pabuvusi informacija ją paliks gana iškreipta, tad jos pirminį pavidalą atstatyti taip pat sunku, kaip ir tiksliai nuspėti orus: teoriškai įmanoma, o praktiškai beveik neįmanoma (toks palyginimas paskatino Hokingas naująjį darbą pavadinti „Informacijos išsaugojimas ir oro prognozė juodosiose skylėse“).

Hokingo hipotezė labai sudomino kolegas. Netrukus rastas ir naujas „informacinio paradokso“ sprendimas: informacijos kritimas į juodąją skylę skelia indukcinį tos pačios informacijos spinduliavimą į išorę. Matyt, pasirodys ir naujų hipotezių, viena už kitą įdomesnių – tereikia kiek palaukti.

Parengė Cpt.Astera's Advisor

Papildomai apie juodąsias skyles

JAV ir Australijos astrofizikai aptiko, kad į juodąją skylę krentančios materijos gaminama energija gali viršyti vadinamąją Edingtono teorinę ribą. Jie ilgą laiką stebėjo už 15 mln. šviesmečių esančios spiralinės M83 galaktikos (Pietų vėjo) juodąją skylę, kuri tik apie 100 kartų viršija Saulės masę, kas tokiems objektams nėra daug.

Edingtono riba buvo išvesta žvaigždėms ir reiškia iš žvaigždės gelmių sklindančio elektromagnetinio spinduliavimo galią, kuri pajėgi kompensuoti žvaigždės termobranduolinių reakcijų zoną supančio apvalkalo svorį – t.y., išlaikančio žvaigždės pusiausvyrą. Viršijus Edingtono ribą žvaigždė ima skleisti stiprų žvaigždžių (saulės) vėją.

Iš esmės, juodosioms skylėms akrecioninio disko (kurį sudaro į jas krentanti materiją) spinduliavimo intensyvumas irgi negali viršyti tam tikros ribos, už kurios fotonų slėgis tiesiog atmeta į įvykių horizontą krentančias dujas – ir tada intensyvumas vėl krenta. Tačiau ne visa juodosios skylės skleidžiama energija yra spinduliavimo pavidalo. Dalis jos virsta kinetine materijos srautų (džetų) energija. Pietų vėjo stebėjimai parodė, kad kinetinė džetų energija gali viršyti Edingtono ribą, kas iki tol dar nebuvo stebima. Tuo tarpu energijai, skleidžiamai spinduliavimo būdu, Edingtono riba lieka teisinga.


Ar kiekviena spiralinė galaktika centre turi juodąją skylę? Teoriškai tai nėra privaloma, jų buvimas numanomas daugelyje galaktikų. Be to, yra daug prielaidų tam, kad juodosios skylės buvo labai svarbios formuojantis galaktikoms ankstyvojoje Visatos fazėje. Tada ne tik spiralinėse, bet ir visose kitose galaktikose gali glūdėti kompaktiški ypač masyvūs kūnai.


O jų taigi ir nėra!

Fizikos prof. Laura Mersini-Houghton iš Šiaurės Karolinos un-to sensacingai pareiškė, kad pagal jos atliktus masyvių žvaigždžių sprogimų matematinius paskaičiavimus Visatos “juodųjų skylių” būti negali!

Terminą „juodoji skylė“ pirmąkart panaudojo John Wheeler‘is paskaitos metu 1967 m. Anot teoretikų, jos viduje randasi singuliarumas, kuriame nėra nei erdvės, nei laiko, o pagrindine „juodosios skylės“ charakteristika yra horizontas arba „Švarcšildo sfera“ – įsivaizduojama riba, žemiau kurios apie objektą niek sužinoti negalime. Ir „skylę“ aptikti galima tik netiesioginiais metodais. Vis tik britų mokslininkas S. Hokingas dar 1974 m. paskelbė mintį, kad „juodosios skylės“ gali „garuoti“.

Laura Mersini-Houghton nusprendė matematiškai aprašyti masyvių žvaigždžių kolapsą. Pagal jos paskaičiavimus, jo metu būtent dėl Hokingo spinduliavimo žvaigždė netenka energijos – ir tai vyksta taip sparčiai, kad objekto vidaus tankis liaujasi didėjęs ir juodosios skylės susidarymas nutrūksta.

Tada kuo gi vis tik virsta kolapsuojantys šviesuliai? Jų sprogimus jau teko stebėti mokslininkams. Dar 1987 m. observatorijos užfiksavo ryškią supernovą SN 1987A. Ir vis tik toje vietoje nerasta nieko, kad bent kiek primintų „juodąją skylę“ ar neutroninę žvaigždę...

Gyveni ir mokaisi – kada nors gal ir sužinosime tiesą...

Ypatingai stiprūs kosminiai spinduliai

Jau keliolika metų Japonijos mokslininkai stebi kosminius spindulius, kurie neturėtų egzistuoti. Kosminiai spinduliai – tai dalelės, dažniausiai protonai, erdvę skrodžiančiais artimu šviesai greičiu. Jie atkeliauja iš supernovų ir kitų kosminių kataklizmų, tačiau vis dar neaiški energingiausiųjų kilmė.

Kosmoso spinduliai netenka dalies energijos po susidūrimų su nedidelės energijos fotonais, pvz., tais, iš kurių sudarytas kosmoso mikrobanginis fono spinduliavimas. Pagal Greiceno-Zacepino-Kuzmino nustatytą ribą, iš kitos galaktikos atkeliavusios dalelės energija negali viršyti 5 10 19 elektronvoltų. Tačiau Tokijo un-to Akeno gaudyklė (sudaryta iš 111 daviklių 100 km2 plote) pagavo keletą kosmoso spindulių, viršijančių tą ribą. Tad jie turėtų būti tik iš mūsų galaktikos, tačiau joje nėra galimo jų šaltinio.

Ar tai Akeno gaudyklės klaida, ar neteisinga A. Einšteino specialioji reliatyvumo teorija? Pagal ją, erdvė visomis kryptimis vienoda. O kas, jei kuri nors viena kryptis kosminiams spinduliams palankesnė? Atlikdami Pierre Augerio eksperimentą, Argentinoje prie Mendozos mokslininkai išdėliojo 1600 daviklių 3000 km2 plote. Alanas Watsonas

Papildomai:

  1. S.S.Doeleman et al. Event-Horizon-Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Centre// Nature, vol. 455, č00ū
  2. A.E. Broderick, A. Loeb. Imaging the Black Hole Silhouette of M87: Implication for Jet Formation and Black Hole Spin// Astrophysical J., vol. 701, Aug.20, 2009

Papildomai skaitykite:
Antigravitacija
Rentgenas Visatai
Kas tas laikas?
Didysis sprogimas
Sprogimai Visatoje
Tamsioji materija
Nepastovios konstantos
Juodųjų skylių portretas
Trumpa laiko istorija
Apnuoginti singuliarumai
Bendroji reliatyvumo teorija
Pasikėsinimas į multivisatas
v3-iojo tūkstantmečio mokslas
Pulsarai ir dvinarės žvaigždės
Išsiderinusi kosmoso muzika
Kai susiduria galaktikos...
Hadronų koliderio kūrėjas
Kaip sukurti laiko mašiną?
Didysis sprogimas ar Atšokimas
El. dalelių simetrija persmelkia viską
Juodosios skylės ne tokios jau ir juodos
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Kvantinė mechanika: Triumfas ar mokslo ribotumas?
Nepaprastai suderinta Visatos sandara
Higso bosonas: labai prasta balerina
Išilginės bangos ir kelionės laike
Nepaprastai masyvios ir ryškios
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Vieta, kur gimsta žvaigždės
Tamsioji materija ir energija
Stabilios būsenos teorija
Torsioniniai laukai
Antigravitacijos paieškos
Gyvenimas po mirties
Jie buvo pirmeiviais...
Holografinė visata
Visatos modeliai
Erdvės ratilai
Erdvės formos

NSO apsireiškimai ir neįprasti fenomenai Lietuvos danguje ir po juo

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

san-taka station

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life.

Review of our site in English

NSO.LT skiltis
Vartiklis