Posted by ასტროფიზიკის ყველაზე პოპულარული ობიექტები შავი ხვრელებია. ყველანაირი კვლევა, მეტის-მეტად თეორიულიც კი, რომელიც ამ ობიექტებს ეხება, მუდმივ ინტერესს არა მარტო სპეციალისტებში იწვევს. გთავაზობთ შავი ხვრელების თემაზე არსებულ ყველაზე საინტერესო სიახლეების მოკლე მიმოხილვას.
ისტორიიდან…
1915 წელს, ევროპაში პირველი მსოფლიო ომი მიმდინარეობდა. აღმოსავლეთი ფრონტის ერთ-ერთ ჰოსპიტალში, მომაკვდინებელი სენით დაავადებული 42 წლის კარლ შვარცშილდი იმ დროისათვის ყველაზე რევოლუციურ და თანამედროვე, ფარდობითობის თეორიის საკითხებზე მუშაობდა. გერმანელმა ფიზიკოსმა შეძლო აინშტაინის განტოლებების ზუსტი ამონახსნის პოვნა შემთხვევისთვის, როცა გრავიტაციულ ველს სფერული სიმეტრიის მქონე მასიური ობიექტი ქმნის.
ამ განტოლებების დახმარებით ნებისმიერი მასისათვის არის შესაძლებელი ე.წ. გრავიტაციული რადიუსის განსაზღვრა (მაგალითად, მზისთვის ეს რადიუსი 3 კილომეტრის ტოლი გამოდის). თუ ავიღებთ ასეთი რადიუსისა და მასით, მაშინ მის ზედაპირზე მეორე კოსმოსური სიჩქარე (ანუ სიჩქარე რომელიც საჭიროა ასეთი ობიექტის მიზიდულობისგან თავის დასაღწევად (დედამიწაზე 11 კმ/წმ)) სინათლის სხივის სიჩქარის ტოლი აღმოჩნდება. თუ გავითვალისწინებთ, რომ ნულზე მეტი მასის მქონე სხეულს არ შეუძლია სინათლის სხივის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით მოძრაობა, მაშინ შვარცშილდის ამონახსნის მიხედვით, ვერაფერი შეძლებს თავი დააღწიოს ასეთი ობიექტის მიზიდულობის ძალას. უფრო მეტიც, გრავიტაციული რადიუსიდან უკან გამოსვლას უმასო ფოტონებიც ვერ შეძლებენ. ეს ობიექტი იქნება აბსოლუტურად შავი, რადგან ის მხოლოდ შთანთქავს გამოსხივებას და უკან არაფერს ასხივებს.
თუმცა მთავარი უცნაურობა არა მოვლენათა ჰორიზონტია (ყველაფერი რაც მოვლენათა ჰორიზინტს შიგნით მოხვდება, აუცილებლად დაეცემა შავ ხვრელზე), არამედ სინგულარობის არსებობა. უფრო ზუსტად რომ ვთქვათ, სხეული, რომლის რადიუსი გრავიტაციულ რადიუსზე მცირეა, თავისივე გრავიტაციის ზემოქმედებით უნდა შეიკუმშოს და გადაიქცეს წერტილად. ამ წერტილში შვარცშილდის ამონახსნებს აინშტაინის განტოლებებისთვის აქვთ ერთი განსაკუთრებული უცნაურობა, რომლის უგულებელყოფა შეუძლებელია – ეს არის სინგულარობა (წერტილად გადაქცევა). ორი წლის მერე რეისნერისა და ნორდსტრემის ნამუშევრებში დამუხტული ხვრელებიც გამოჩნდნენ, ანუ იგივე ობიექტები, ოღონდ ელექტრული მუხტით.
აღსანიშნავია, რომ ასეთი „მონსტრების“ არსებობა ძალიან არ მოწონდათ მაშინდელ ფიზიკოსებს – ხვრელების წინააღმდეგი იყო თვითონ ალბერტ აინშტაინიც, ფარდობითობის ზოგადი და სპეციალური თეორიების შემქმნელი. უმთავრესი არგუმენტი კი იყო ის, რომ მაშინ მეცნიერებმა არ იცოდნენ პროცესების არსებობა, რომლებიც მატერიის ასეთ დონემდე შეკუმშვას გამოიწვევდა (გაზის პირდაპირი კოლაფსი, ზეახალის აფეთქება). შავი ხვრელების შესწავლა ჩიხში შევიდა, თუმცა, ცოტა ხნით – 1931 წელს გამოვიდა ჩანდრასეკარის ნაშრომი, რომელშიც მან გვიჩვენა, რომ მასიურ ვარსკვლავებს შიგნით, მას შემდეგ რაც მათ წიაღში წყალბადის თერმობირთვული წვა შეწყდება, ბირთვში დარჩენილი მატერია უნდა გადაიქცეს ნულოვანი რადიუსის მქონე წერტილად, ამ ვარსკვლავისვე უზარმაზარი მასის ცენტრზე დაწოლით. მანამდე ვარსკვლავს შეკუმშვისგან ცენტრიდან გარეთ მოქმედი თერმობირთვული რეაქციის წნევა იცავდა.
კოლეგები ამ ნამუშევარს კრიტიკით შეხვდნენ, ზოგიერთი შენიშვნა სრულიად სამართლიანი იყო – ჩანდრასეკარმა არ გაითვალისწინა ზოგიერთი კვანტური ეფექტი (ამ ეფექტებით აიხსნება ნეიტრონული ვარსკვლავების არსებობა). 1939 წელს ინდოელის ნაშრომებში შესწორებები რობერტ ოპენჰეიმერმა შეიტანა (პირველი ატომური ბომბის შემქმნელი, ასტროფიზიკოსი). მან დაადგინა, რომ მხოლოდ ძალიან დიდი მასის ვარსკვლავს შეუძლია შავ ხვრელად გადაქცევა(მზეს არა).
შავი ხვრელების ოქროს ხანა წინა საუკუნის 60-იან წლებში დადგა, მეცნიერებმა აღიარეს მათი არსებობა. ამ დროს გამოჩნდა კერისა და ნიუმენის ნაშრომები, რომლებიც აინშტაინის განტოლებების ამონახსნებს წარმოადგენდნენ შემთხვევისთვის, როცა ხვრელს გააჩნია მუხტი და თანაც ბრუნავს (აღსანიშნავია, თუ ხვრელი არ არის დამუხტული, ამავე დროს ითვლება, რომ ხვრლების უმრავლესობას შედარებით მცირე მუხტი აქვთ, მაშინ მათ უბრალოდ კერის ხვრელებს უწოდებენ). იმის შესახებ, რომ ასეთი ხვრელების თვისებები ზოგადად ყველა ხვრელისთვისაა დამახასიათებელი, ლაპარაკობს თეორემა, მეტსახელად „ უთმო თეორემა“ (No hair theorem). თეორემის მიხედვით, ერთნაირი მასის ორი ხვრელი, ერთნაირი მუხტითა და ბრუნვის კუთხური მომენტით, ერთმანეთისგან არაფრით განსხვავდება. ანუ, მაგალითად, თუ ერთი ხვრელი ჩვეულებრივი მატერიის კოლაფსით (შიგნით ჩაშლა, შეკუმშვა) გჩნდა, ხოლო მეორე ანტიმატერიის კოლაფსით, ვერანაირად ვერ გავიგებთ რომელია მათგან მატერიალური და რომელია ანტიმატერიალური.
და ბოლოს, 1974 წელს გამოვიდა სტივენ ჰოკინგის რევოლუციური ნაშრომი, რომელშიც ავტორი აღწერდა კვანტურ ეფექტებს მოვლენათა ჰორიზონტთან ახლოს მყოფი სივრცისთვის. აღმოჩნდა, რომ ვაკუუმიდან ვირტუალური ნაწილაკების მუდმივი გაჩენის დროს, ზოგიერთი მათგანი ახერხებს ხვრელის მიდამოების დატოვებას და თან მიაქვს ენერგიაც. ანუ ხვრელი ორთქლდება.
თანამედროვე წარმოდგენების მიხედვით, კოსმოსში არსებობენ არა მარტო გრავიტაციული კოლაფსით წარმოქმნილი ხვრელები, არამედ ე.წ. პირველადი ხვრელებიც, დარჩენილნი დიდი აფეთქების მერევე. მათი განმასხვავებელი განსაკუთრებული თვისებაა ის, რომ არ გააჩნიათ შეზღუდვა ქვემოდან, ანუ ბუნებაში შესაძლებელია არსებობდნენ უმცირესი ზომის ხვრელები. უფრო მეტიც, ჰიკონგის გამოსხივების გამო ისინი თანდათანობით აორთქლდებიან და გათბებიან (რადგან ტემპერატურა მით მაღალია, რაც უფრო მცირეა მასა), ევოლუციას კი ძლიერი აფეთქებით დაასრულებენ, რასაც თან მოყვება გამოსხივება რენტგენისა და გამა დიაპაზონებში.
პლანეტები შავი ხვრელის შიგნით
გადავიდეთ უშუალოდ სიახლეებზე, რომლებიც მოუმმზადებელ მკითხველს, შეიარაღებულს ტექსტის წინა ნაწილში მიღებული ცოდნით, ასე თუ ისე გასაგებად უნდა მოეჩვენოს.
დავიწყოთ ღრმად თეორიული რეზულტატიდან – 2011 წლის აპრილში გამოქვეყნდა რუსი მეცნიერის ნაშრომი, რომელშიც კვლევის სამიზნე იყო კერისა და რეისნერ-ნორდსტრემის შავი ხვრელი. კერძოდ, ფიზიკოს აინტერესებდა, თუ რა შეიძლება ხდებოდეს ასეთი ხვრელის შიგნით? არის თუ არა მასში რაიმე წესრიგი, თუ მოვლენათა ჰორიზონტი მხოლოდ სინგულარობის ირგვლივ ქაოტურად მქროლი ნაწილაკებისგან შედგება?
როგორც აღმოჩნდა, ხსენებულ ორ შემთხვევაში არსებობს რაღაც კანონზომიერება(ჰორიზონტის რაღაც ნაწილისთვის მაინც). საქმე იმაშია, რომ კერისა და რაისნერ-ნორდსტრემის ხვრელის ჰორიზონტს შიგნით არსებობს ე.წ. კოშის ჰორიზონტი. ის შემოსაზღვრავს რეგიონს, რომელშიც ფარდობითობის თეორიის განტოლებებს აქვს ამონახსნი, ანუ შესაძლბელია ნაწილაკების ტრაექტორიების აღწერა. ხვრელს შიგნით მასიან და უმასო ნაწილაკებს აქვს შეკრული ტრაექტორიები. მოხვდება რა ასეთ ტრაექტორიაზე, ნაწილაკი იმოძრავებს სინგულარობის გარშემო, თითქმის ისე, როგორც პლანტები მოძრაობენ მზის გარშემო. „თითქმის“ იმიტომ, რომ ელიფსური ტრაექტორიების გარდა ნაწილაკებს შეუძლია იმოძრაოს სპირალური ტრაექტორიებითაც.
ავტორი, მიღებული შედეგებიდან აკეთებს საკმაოდ ფანტასტიურ, თუმცა საინტერესო დასკვნებს. მაგალითად, ასეთი ხვრელების შიგნით შეიძლება არსებობდეს პლანეტური ანალოგია. ეს შესაძლებელია, რადგან ხვრელის სიმკვრივე მისი მასის კვადრატის უკუპროპორციულია – მაგალითად, მილიარდი მზის მასის (არსებობს ათეულობით მილიარდი მზის მასის ხვრელებიც) ხვრელის სიმკვრივე წყლისაზე მცირეა.
უფრო მეტიც, რუსი მეცნიერი უშვებს ასეთი ხვრელის შიგნით სიცოცხლის არსებობასაც, თუმცა არ აკონკრეტებს მის ქიმიურ საფუძველს – პირობები ასეთი ობიექტის შიგნით ხომ უკიდურესად ეგზოტიურია. ჰიპოთეზა ხვრელის შიგნით სიცოცხლის არსებობის შესახებ ძალიან საინტერესოა, მწერალი ფანტასტებისთვის მაინც 🙂 .
ძველი დრო
გამოჩნდა ბრიტანელი ფიზიკოსების ნამუშევარიც. მასში მეცნიერებმა განიხილეს პულსირებადი კოსმოლოგიური მოდელი. ამ მოდელის მიხედვით, დიდი აფეთქების შემდგომი გაფართოება, შეკუმშვით შეიცვლება, რომელიც თავის მხრივ ახალ აფეთქებას მოახდენს.
როგორც არ უნა იყოს, ფიზიკოსებმა გადაწყვიტეს გაერკვიათ, რა დაემართება ხვრელს ასეთი შეკუმშვის დროს. დასაწყისისთვის ჩამოაყალიბეს პოსტულატი იმის შესახებ, რომ შეკუმშვის დროს სამყარო არ გადაიქცევა სინგულარობად, არამედ დავა ე.წ. პლანკის სიმკვრივემდე – 1096კგ/მ³. (ასეთი შეკუმშვის დროს რა ემართება მატერიას მეცნიერებს წარმოდგენა არ აქვთ, თუმცა ვარაუდობენ, რომ სამყარო ამაზე მეტად არ იკუმშება), ამის მერე ისევ დაიწყება გაფართოება. თუ დავუშვებთ, რომ სამყაროს შეკუმშვის დროს ხვრელები არ იშლება (დიდ აფეთქებამდე მომხდარი მოვლენები), მაშინ მათ შეუძლიათ გააგრძელონ არსებობა ერთმანეთთან შერწყმის გარეშე. მეცნიერებმა განიხილეს პულსირებადი სამყაროს მოდელიც და კვანტურიც, ისეთი ეგზოტიკური ეფექტების გათვალისწინებით, როგორიცაა სამყაროს სივრცული განზომილების ცვლილება.
მკვლევარები ამტკიცებენ, რომ შესაძლებელია ამ ნამუშევრის პრაქტიკული გამოყენება. მათ დაადგინეს ასეთი ზეძველი ხვრელების თავისებურებები, რისი დაფიქსირებაც შესაძლებელია ტელესკოპებით. ასეთი ობიექტების აღმოჩენა იქნება მნიშვნელოვანი არგუმენტი პულსირებადი მოდელის სასარგებლოდ.
გრავიტაციული ატომები
და ბოლოს, ნაშრომი გრავიტაციული ატომების შესახებ. მასში ამერიკელმა ფიზიკოსებმა, აარონ და ჯეი პეის ვანდევენდერებმა შეისწავლეს მიკროსკოპული ობიექტები, რომელთა საფუძველს წარმოადგენს მინიატურული პირველადი შავი ხვრელი. თვითონ იდეა არ არის ახალი, თუმცა ამის შესახებ ავტორები არაფერს ამბობენ, ნაშრომი კი საკმაოდ ფანტასტიურია.
საქმე იმაშია, რომ ნაწინასწარმეტყველევი პირველადი შავი ხვრელების აფეთქება, ჰოკინგის გამოსხივების გამო, მეცნიერებს ჯერჯერობით არ დაუფუქსირებიათ. ახალი ნაშრომის ჩარჩოებში ვანდევენდერები გამოთქვამენ ასეთ მოსაზრებას: ეს მოვლენები არ დაფიქსირებულა იმიტომ, რომ ისინი შეიძლება არც ხდება. შავი ხვრელები, ხდებიან რა საკმარისად პატარები, იქნებ რაიმე ეფექტების ზემოქმედების ქვეშ ექცევიან, რომლებიც ხელს უშლის მათ საბოლოო აორთქლებას?
თუ მოვლენები ასეთი სცენარით ვითარდება, პატარა ხვრელებს შეუძლიათ ჩვეულებრივ მატერიასთან წარმოქმნან თავისებური გრავიატომები, სადაც ელექტრნის როლს ჩვეულებრივი მატერიის ატომი თამაშობს, ის არ ეცემა ხვრელზე, რადგან ამ ატომის ტალღური ფუნქცია ელექტრონისას ჰგავს. ფაქტიურად ეს იმას ნიშნავს, რომ ატომის ხვრელზე დაცემა ნაკლებად შესაძლებელი ხდება.
მეცნიერებმა თავიანთი ვარაუდის შესამოწმებელი ვარიანტებიც განიხილეს. პირველი – ასეთი ხვრელები, თეორიულად, უნდა გაჩნდეს დიდ ადრონულ კოლაიდერში. მეორე – ასეთი გრავიატომები უნდა ვეძებოთ კოსმოსში, მათთვის დამახასიათებელი რადიოგამოსხივების დაფიქსირებით. რეგისტრაციისთვის ყველაზე პერსპექტიულია ნაწილაკები მასებით 0,2-დან 1000 ტონამდე.
ამით, შავი ხვრელების შესწავლის ისტორიის მოკლე კურსი დამთავრდა. ალბათ მცირე ხნით, რადგან თეორეტიკოსები რაიმე გასაკვირს კიდევ მოიფიქრებენ (10 ფაქტი შავი ხვრელების შესახებ).