Global Lithuanian Net: san-taka station: |
Juodųjų skylių paradoksai
Taip pat skaitykite Ties juodųjų skylių horizontu 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
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 J. 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 1974 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. Juodosioms skylėms augti nelengva!
Mūsiškės Paukščių tako galaktikos centre esančios Sagittarius A* juodosios skylės masė kaip
4,5 mln. saulių. Tačiau dar sunkesnė ultramasyvioji TON 618, kurios masė prilygsta 66 mlrd. Saulių (ji randasi greta Skalikų ir
Berenikės garbanų žvaigždynų). Bet kaip TON 618 tapo tokiu monstru? Juk tikrai, išauginti
juodąją skylę gana nelengva tai nėra pabaisos, kurios klajoja po Visatą susiurbdamos viską, ką sutinka kelyje
(tarsi koks dulkių siurblys). Materija turi iš pradžių priartėti prie jos, kad ją paveiktų jos gravitacija; ir kuo arčiau priartėja, tuo labiau gravitacija
paveikia. Tada materija virsta tarsi spagečiu ir ištįsta orbita aplink juodąją skylę, susiplodama besisukančio disko pavidalu
dar gana toli nuo įvykių horizonto - kurį kirtus, jau taptų juodosios skylės dalis. Tačiau priversti materiją kirsti įvykių
horizontą sudėtingas reikalas. Tą padaryti gali priversti dalelių susidūrimai diske, tačiau ne kiekvienas susidūrimas
sukelia staigų apsikeitimą energija, kai dalelės praranda energiją ir gali pradėti kristi į juodąją skylę bet tik tada, jei toks
susidūrimas įvyko ISCO rajone. ISCO (vidinė stabili orbita) yra maždaug 3 kartus toliau nei įvykių horizontas paprastai
tai besisukančio disko vidinis kraštas. Tad juodosios skylės akrecijos procesas yra labai lėtas.
Tačiau padėtį dar labiau komplikuoja tai, kad yra riba tam, kiek materijos gali per duotą laiko tarpą sukaupti juodoji
skylė. Tai yra dėl to, kad materijos diskas sukasi ir dalelės jame susiduria tokiais neįtikėtinais greičiais, kad ima kaisti dėl trinties.
Yra subtilus balansas tarp juodosios skylės dydžio ir materijos kiekio jos diske ir kai pasiekiamas tam
tikras slenkstis, sparta, su kuria ji gali kaupti materiją, ribojama. Iki šiol dar nėra žinoma, ar yra riba masei, kurios negali peržengti juodoji skylė.
Atrodo, kad nėra. Tačiau yra riba tam, kiek juodoji skylė gali išaugti akrecijos dėka (vadinamoji Edingtono riba;
daugiau apie ją >>>>>). 2015 m. Endrius Kingas**) iš Lesterio un-to paskelbė straipsnį, jame nurodęs
gravitacijos ypatybę prie juodųjų skylių ir jos pagalba pabandęs įvertinti masę, įgautą per akreciją: 50 mlrd. Saulės
masių (nors galėtų siekti ir 270 mlrd., jei ji sparčiai suktųsi ta pačia kryptimi, kaip ir jos galaktika).
Augančios juodosios skylės problema tame, kad ISCO išstumiamas už vadinamojo savigravitacijos spindulio,
kuris žymi tašką, kuriame gravitacinė trauka, sulaikanti artėjantį objektą stipriau, nei pačios juodosios skylės trauka. Tad,
juodajai skylei pasiekus 50 mlrd. Saulių masę, ISCO išstumiamas už savos gravitacijos spindulio ribų, t.y. nepriklausomai
nuo susidūrimų kiekio, dalelės niekad nepraras tiek energijos, kad jų orbita nusileistų iki ISCO.
Būtent todėl taip įdomi TON 618 jos masė viršija E. Kingo įvertį nesisukančiai juodajai skylei.
Gali būti, kad ji artėja prie savo maksimaliai galimos masės. Bet jei juodoji skylė liausis kaupti materiją tokiu būdu, ji
liausis spindėjusi. O tada tokių ultramasyvių galime ir nepastebėti. Mes turėtume artėti prie taško Visatos istorijoje, kai juodosios skylės liaujasi
kaupusios masę. Kvazarai gali pradėti blėsti, kai praeis jų juodųjų skylių šlovės dienos.
Vis tik JAV mokslininkai mano, kad jie sumodeliavo juodąją skylę
ir toji aplinkinę medžiagą rija sparčiau, nei anksčiau (paskelbta The Astrophysical J.: 1922 m. spalį). Pagal jų modelį,
juodoji skylė iškraipo erdvėlaikį, o tai akrecinį diską sudrasko į vidinę ir išorinę dalis ir pirma ima ryti vidinį diską, o suardytos išorinės
dalies fragmentai ima pildyti vidinę sritį ir procesas tęsiasi. Tai gali trukti tik kelis mėnesius, o ne kelis šimtus metų, kaip laikyta anksčiau.
Kartu tai paaiškina ir kai kurių kvazarų elgesį, kurie radikaliai keičia savo ryškumą keliems mėnesiams ar metams. 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 Wheeleris 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 nieko 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:
Gyvenimas šalia supermasyvių juodųjų skylių
Nuo 20 a. pabaigos žinome, kad planetos randasi ir prie pulsarų, ypatingai tankių objektų,
atsiradusių po žvaigždžių galingų sprogimų. Tai galima spėti, kad jų yra ir prie juodųjų skylių, kurios, netikėtai nei daugelis
įsivaizduoja, joms daro mažesnį poveikį nei pulsarai. Net įmanoma, kad jose galėtų atsirasti gyvybė netgi prie supermasyvių juodųjų skylių,
esančių galaktikų branduoliuose. Mūsų Paukščių tako centrinė juodoji skylė Sgr A* turi masę,
prilygstančią 4 mln. žvaigždžių. Jos vidinė orbita (ISCO) maždaug lygi Merkurijaus orbitai. Jose esančios civilizacijos galėtų panaudoti juodosios skylės energiją, o šiukšles išmesti per jos akrecinės medžiagos diską, besisukantį aplink ją. Didžiausias pavojus yra dėl gravitacinių potvynių. Bet koks gravitacinio pagreičio pokytis tarp galvos ir kojų
potencialiai gali kūną suplėšyti į dalis. Tai fatalu šalia juodosios skylės, turinčios įprastos žvaigždės masę, tačiau
nepavojinga prie supermasyvios juodosios skylės. Vis tik didelę grėsmę kelia šiluma, išskiriama akrecijos į ją metu. Parengė Cpt.Astera's Advisor *) Džozefas Polčinskis (Joseph Gerard Polchinski Jr., 1954-2018) amerikiečių fizikas teoretikas,
žinomas darbais apie superstygas. Parašė vadovėlį Stygų teorija (2 t., 1998). Į
stygų teoriją įvedė D-brainių (t.y. stygų, galinčių baigtis kraštinėmis Dirichlė
sąlygomis) sampratą (1989); tada 1995 m. jis parodė D-brainių atitikimą p-brainiams, o tai leido suprasti kaip holografiją.
2012 m. kartu su kitais paskelbė straipsnį, kuriame pagal juodosios skylės spinduliavimo
paskaičiavimus spėjama, kad arba bendrosios reliatyvumo teorijos ekvivalentiškumo principas
yra klaidingas, arba kažkas blogai su kvantinės mechanikos teorija. **) Endrius Kingas (Andrew Robert King, g. 1947 m.) britų astrofizikas. Yra dirbęs kartu su
S. Hokingu. Dirba bendrosios reliatyvumo teorijos,
aktyvių galaktinių branduolių, akrecijos diskų ir dvinarių žvaigždžių evoliucijos srityse. Papildomai skaitykite:
|