Riba, už kurios informacija nebegali ištrūkti, ir tokie reiškiniai kaip Hokingo spinduliuotė
Kas yra juodosios skylės
Juodoji skylė – tai erdvėlaikio sritis, kurioje gravitacija tokia intensyvi, kad niekas – net šviesa – nebegali ištrūkti, jei tik peržengia kritinę ribą, vadinamą įvykių horizontu. Nors iš pradžių tai atrodė kaip teorinė įdomybė („tamsiųjų žvaigždžių“ idėja XVIII a.), vėliau juodosios skylės tapo vienu centrinių astrofizikos objektų, o jų stebėjimų įrodymai gausūs: nuo rentgeno spindulių dvejetų (pvz., Cyg X-1) iki supermasyvių juodųjų skylių galaktikų centruose (pavyzdžiui, Sgr A* Paukščių Take). Einšteino bendrojo reliatyvumo teorija parodė, kad sukaupus pakankamai masės labai mažame tūryje, erdvėlaikio išlinkimas praktiškai „atskiria“ tą sritį nuo išorinės Visatos.
Juodosios skylės būna įvairaus dydžio ir tipo:
- Žvaigždinės masės juodosios skylės – ~3–keliasdešimt Saulės masių, susidaro kolapsuojant masyvioms žvaigždėms.
- Tarpinės masės juodosios skylės – šimtai ar tūkstančiai Saulės masių (dar nėra aiškiai patvirtintos).
- Supermasyvios juodosios skylės – milijonai ar milijardai Saulės masių, glūdinčios daugumos galaktikų centruose.
Svarbiausias bruožas yra įvykių horizontas – „taškas, iš kurio nebegrįžtama“ – ir dažnai singuliarumas pagal klasikinę teoriją, nors kvantinė gravitacija galbūt pakeistų šią sąvoką mažuose masteliuose. Be to, Hokingo (Hawking) spinduliuotė rodo, kad juodosios skylės lėtai praranda masę per ilgus amžius, leisdama įžvelgti gilesnę kvantinės mechanikos, termodinamikos ir gravitacijos sąveiką.
2. Formavimasis: gravitacinis kolapsas
2.1 Žvaigždžių kolapsas
Dažniausias žvaigždinės masės juodosios skylės susidarymo būdas – didelės masės žvaigždės (>~20 Saulės masių) branduolio sunykimas pasibaigus branduolinės sintezės kurui. Išsekus sintezei, niekas nebesubalansuoja gravitacijos, tad branduolys subliūkšta iki itin didelio tankio. Jei branduolio masė viršija Tolmano–Oppenheimerio–Volkoffo (TOV) ribą (~2–3 Saulės masės, skirtas neutroninei žvaigždei), net neutronų degeneracijos slėgis nebesustabdys tolimesnio žlugimo, formuodamas juodąją skylę. Išoriniai sluoksniai gali išlėkti supernovos sprogimu.
2.2 Supermasyvios juodosios skylės
Supermasyvios juodosios skylės (SMBH) slypi galaktikų centruose, pvz., maždaug 4 milijonų Saulės masių skylė mūsų Paukščių Tako centre (Sgr A*). Jų formavimasis mažiau suprastas: galėjo būti pirminis dujų „tiesioginis kolapsas“, mažesnių juodųjų skylių suliejimų virtinė ar kitokia didelio spartaus augimo mechanika ankstyvose proto-galaktikose. Kvazarų stebėjimai dideliais raudonaisiais poslinkiais (z > 6) rodo, kad SMBH atsirado labai anksti kosminėje istorijoje, tad mokslininkai toliau tyrinėja sparčios evoliucijos variantus.
3. Įvykių horizontas: taškas be sugrįžimo
3.1 Švarcšildo spindulys
Paprasčiausią statišką, nesisukančią juodąją skylę bendrojoje reliatyvumo teorijoje aprašo Švarcšildo metrika, o spindulys
rs = 2GM / c²
– tai Švarcšildo spindulys. Viduje jo (t. y. įvykių horizonte) pabėgimo greitis didesnis už šviesos greitį. Pavyzdžiui, 1 Saulės masės juodajai skylei rs ≈ 3 km. Didesnės masės skylės turi proporcingai didesnius horizontus (10 Saulės masių atveju horizonto spindulys ~30 km). Ši riba – null (šviesos kūgio) paviršius, iš kurio net fotonai nebegali pasprukti.
3.2 Jokios komunikacijos į išorę
Įvykių horizonto viduje erdvėlaikio kreivumas toks gilus, kad visos laiko ir šviesos geodezės nukreiptos link singuliarumo (klasikinės teorijos teigimu). Taigi iš išorės pamatyti ar susigrąžinti ką nors, kas peržengė horizontą, nebegalima. Todėl juodosios skylės „juodos“: nepaisant to, kas vyksta viduje, jokia spinduliuotė neištrūksta. Tiesa, už horizonto ribos besisukantys akreciniai diskai ar reliatyvistiniai čiurkšliai gali skleisti intensyvius signalus.
3.3 Sukantys ir įkrautieji horizontai
Realios astrofizinės juodosios skylės dažnai sukasi – aprašo Kerro (Kerr) metrika. Horizonto spindulys tokiu atveju priklauso nuo sukimosi parametro a. Panašiai įkrauta (Reissner–Nordström) ar sukanti/įkrauta (Kerr–Newman) juodoji skylė keičia horizonto geometriją. Tačiau esmė lieka tokia pati: peržengus horizontą, kelio atgal nėra. Šalia sukamos juodosios skylės egzistuoja rėmų vilkimo ar ergosferos reiškinys, leidžiantis išgauti dalį sukimosi energijos (Penrose’o procesas).
4. Hokingo (Hawking) spinduliuotė: juodųjų skylių garavimas
4.1 Kvantiniai reiškiniai ties horizontu
1974 m. Stephenas Hokings (Stephen Hawking) pritaikė kvantinę laukų teoriją išlenktame erdvėlaikyje netoli juodosios skylės horizonto ir parodė, kad juodosios skylės skleidžia šiluminę spinduliuotę, kurios temperatūra:
TH = (ħ c³) / (8 π G M kB),
kur M – juodosios skylės masė, kB – Boltzmanno konstanta, ħ – redukuota Planko konstanta. Mažesnės masės juodosios skylės turi aukštesnę Hokingo temperatūrą, todėl išgaruoja greičiau. Didelės, pvz., žvaigždinės ar supermasyvios, turi itin žemą temperatūrą, tad jų garavimo trukmė labai ilga (viršija dabartinį Visatos amžių) [1,2].
4.2 Dalelių–antidalelių poros
Paprastas aiškinimas: netoli horizonto atsiranda „virtualios“ dalelės–antidalelės poros. Viena patenka vidun, kita išlekia, išnešdama energiją, tad skylė netenka masės. Taip išlaikoma energijos tvermė. Nors tai supaprastinta interpretacija, ji perteikia esmę: kvantinės fluktuacijos ir horizonto sąlygos lemia galutinę spinduliuotę išorėn.
4.3 Juodosios skylės termodinamika
Hokingo atradimas parodė, kad juodosios skylės turi termodinamikai analogiškų savybių: horizonto plotas elgiasi tarsi entropija (S ∝ A / lP²), paviršinė gravitacija panaši į temperatūrą. Šis ryšys įkvėpė tolesnius tyrinėjimus kvantinės gravitacijos link, nes suderinti juodosios skylės termodinamiką su kvantine unitarumo idėja (informacijos paradoksu) išlieka dideliu teoriniu iššūkiu.
5. Juodųjų skylių stebėjimų įrodymai
5.1 Rentgeno dvejetai
Daug žvaigždinės masės juodųjų skylių aptikta dvejetų sistemose, kuriose viena žvaigždė – įprasta, o kita – kompaktiškas objektas, pritraukiantis materiją, suformuojant akrecinį diską. Diske medžiaga įkaista iki rentgeno energijų. Stebint masės apribojimus >3 Saulės masių ir nenustatant jokio kieto paviršiaus, daroma išvada, kad tai – juodoji skylė (pvz., Cyg X-1).
5.2 Supermasyvios skylės galaktikų centruose
Stebint žvaigždžių judėjimą Paukščių Tako centre, nustatytas ~4 mln. Saulės masių juodosios skylės egzistavimas (Sgr A*) – žvaigždžių orbitos puikiai atitinka Keplerio dėsnius. Panašiai aktyvūs galaktikų branduoliai (kvazarai) rodo, kad yra SMBH iki milijardų Saulės masių. Event Horizon Telescope pateikė pirmuosius tiesioginius horizontui artimos srities vaizdus M87* (2019 m.) ir Sgr A* (2022 m.), pademonstruodamas šešėlio/žiedo struktūras, atitinkančias teorinę formą.
5.3 Gravitacinės bangos
2015 m. LIGO aptiko gravitacines bangas, sklindančias iš susiliejusių juodųjų skylių ~1,3 mlrd. šviesmečių atstumu. Vėliau užfiksuota daug kitų juodųjų skylių susiliejimų, patvirtinančių dvinarę juodųjų skylių egzistenciją. Banga forma puikiai atitiko reliatyvumo modelius, pademonstruodama stipraus lauko sąlygas, įvykių horizontus ir susiliejimo „žiedėjimo“ (ringdown) fazes.
6. Vidinė sandara: singuliarumas ir kosminė cenzūra
6.1 Klasikinis singuliarumas
Klasikinė fizika rodo, kad materija gali suirti iki begalinio tankio singuliarumo, kai erdvėlaikio išlinkimas tampa begalinis. Tuo atveju bendrasis reliatyvumas nustoja veikti, nes tikima, jog kvantinė gravitacija (ar Plancko mastelio fizika) kaip nors „išlygintų“ šį begalinį reiškinį. Tačiau tikslios detalės tebėra neaiškios.
6.2 Kosminės cenzūros hipotezė
Rogeris Penrose‘as iškėlė kosminės cenzūros hipotezę, teigiančią, kad realus gravitacinis kolapsas visada sukuria singuliarumą, paslėptą įvykių horizonte („jokių atvirų singuliarumų“). Visi žinomi „realistiški“ sprendiniai šią hipotezę patvirtina, tačiau įrodymas nėra galutinai formaliai pateiktas. Kai kurios teorinės išimtys (pvz., ekstremaliai besisukančios skylės) galimai pažeistų šį principą, bet stabilaus tokio pažeidimo modelio nėra.
6.3 Informacijos paradoksas
Egzistuoja įtampa tarp kvantinio unikalumo (unitary principle, jog informacija neišnyksta) ir juodosios skylės išgaravimo (Hokingo spinduliuotė atrodo termiška, tarsi be pradinės informacijos). Jei juodoji skylė visiškai išgaruotų, ar informacija išnyksta, ar kažkaip „pasirodys“ spinduliuotėje? Siūlomi sprendimai – holografiniai principai (AdS/CFT), kvantinės chaoso teorija, „juodosios skylės komplementarumas“ ir pan. – tačiau klausimas dar neišspręstas ir yra viena centrinių kvantinės gravitacijos problemų.
7. Kirminų skylės, baltosios skylės ir teorinės išplėtotės
7.1 Kirminų skylės
Kirminų skylės, dar vadinamos Einšteino–Roseno tiltais, teoriškai galėtų sujungti skirtingus erdvėlaikio regionus. Bet daugelis modelių rodo, kad tokie dariniai būtų nestabilūs, jei neturima „egzotinės“ materijos su neigiama energija, galinčios juos „išlaikyti atidarytus“. Jei stabilios kirminų skylės egzistuotų, jos leistų greitą susisiekimą ar net laiko kilpas, bet kol kas jokio makroskopinio pavyzdžio stebėjimų nėra.
7.2 Baltosios skylės
Baltoji skylė – laiko atžvilgiu atvirkščias juodosios skylės sprendinys, išmetantis materiją iš singuliarumo. Dažniausiai laikoma nerealistiška, nes jos neina sukurti kolapso būdu realioje astrofizikoje. Nors ji pasirodo tam tikruose klasikiniuose (visiškai analitiškai išplėstuose) Švarcšildo metrikos sprendiniuose, tikrų gamtinių analogijų neaptikta.
8. Ilgalaikė ateitis ir kosminis vaidmuo
8.1 Hokingo išgaravimo trukmės
Žvaigždinės juodosios skylės per Hokingo spinduliuotę garuoja ~1067 metų ar ilgiau, supermasyvios – iki 10100 metų. Vėlyvoje Visatoje, praėjus daugybei epochų, jos gali likti vienišos „galinės“ struktūros, nes visa likusi materija suirs ar susijungs. Galiausiai net jos išgaruos, paversdamos masę žemo energijos fotonais, liksiančiais itin šaltoje ir tuščioje Visatoje.
8.2 Vaidmuo galaktikų formavimuisi ir evoliucijai
Stebėjimai rodo, kad supermasyvių juodųjų skylių masė koreliuoja su galaktikos telkinio (išsipūtimo) mase (MBH–σ ryšys), tai reiškia, jog jos stipriai veikia galaktikų raidą – per aktyvių branduolių spinduliavimą, reaktyvines čiurkšles (jet), stabdančias žvaigždžių formavimąsi. Visuotiniame tinkle juodosios skylės tampa paskutine masyvių žvaigždžių stadija ir tolimų kvazarų šaltinis, darančiu didelę įtaką didelio masto struktūrai.
9. Išvada
Juodosios skylės – tai bendrojo reliatyvumo radikalus padarinys: erdvėlaikio sritis, iš kurios už įvykių horizonto jau nebegalima ištrūkti. Stebėjimai rodo, kad jos paplitusios – nuo žvaigždinių likučių rentgeno dvejetuose iki supermasyvių monstrų galaktikų centruose. Tokie reiškiniai kaip Hokingo spinduliuotė suteikia kvantinę potekstę, leidžiančią manyti, kad galų gale juodosios skylės išgaruos, susiedamos gravitacijos termodinamiką su kvantinėmis teorijomis. Nors ilgą laiką tyrinėtos, lieka aktualių mįslių, ypač susijusių su informacijos paradoksu ir singuliarumais.
Šie objektai jungia astronomiją, reliatyvumą, kvantinę fiziką ir kosmologiją – yra kraštutiniai gamtos reiškiniai, tačiau pabrėžia, kad gali egzistuoti ir gilesnė bendros kvantinės gravitacijos teorija. Juodosios skylės taip pat yra kertinė astrofizikos dalis – maitina ryškiausius Visatos objektus (kvazarus), lemia galaktikų raidą, generuoja gravitacines bangas. Tuo būdu jos – vienas intriguojančių šiuolaikinio mokslo frontų, jungiantis žinomą ir dar neištirtą sritį.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Hawking, S. W. (1974). “Black hole explosions?” Nature, 248, 30–31.
- Penrose, R. (1965). “Gravitational collapse and space-time singularities.” Physical Review Letters, 14, 57–59.
- Event Horizon Telescope Collaboration (2019). “First M87 Event Horizon Telescope Results.” The Astrophysical Journal Letters, 875, L1–L6.
- Wald, R. M. (1984). General Relativity. University of Chicago Press.
- Frolov, V. P., & Novikov, I. D. (1998). Black Hole Physics: Basic Concepts and New Developments. Kluwer Academic.