Klausimas: Kas yra juodoji skylė?
Kas yra juodoji skylė? Kada susidaro juodosios skylės? Ar mokslininkai gali pamatyti juodąją skylę? Koks yra juodosios skylės „įvykių horizontas“?
Atsakymas: Juodoji skylė yra teorinis darinys, numatomas bendrasis reliatyvumas. Juodoji skylė susidaro, kai pakankamos masės žvaigždė gravitaciniu būdu žlunga, didžiąją dalį ar visą savo masę suspaustas į pakankamai mažą erdvės plotą, sukeldamas begalinį erdvės laiko kreivumą tame taške (a „išskirtinumas“). Toks didelis erdvėlaikio kreivumas neleidžia nieko, net ir šviesos, ištrūkti iš „įvykio horizonto“ ar sienos.
Juodosios skylės niekada nebuvo tiesiogiai stebimos, nors jų poveikio prognozės atitiko stebėjimus. Yra keletas alternatyvių teorijų, tokių kaip magnetoferos amžinai žlugdantys objektai (MECO), kad paaiškintų šiuos pastebėjimus, iš kurių dauguma vengia erdvės laiko išskirtinumas juodosios skylės centre, tačiau didžioji dauguma fizikų mano, kad juodosios skylės paaiškinimas yra greičiausiai fizinis atvaizdas to, kas yra vyksta.
Juodosios skylės prieš reliatyvumą
1700 m. Buvo keletas, kurie pasiūlė, kad supermassive objektas galėtų atkreipti į jį dėmesį. Niutono optika buvo korpuskuliarinė šviesos teorija, traktuojanti šviesą kaip daleles.
Johnas Michelis 1784 m. Paskelbė dokumentą, kuriame numatoma, kad objekto, kurio spindulys 500 kartų didesnis už saulės spindulį (tačiau tokio paties tankio), evakavimo greitis bus šviesos greitį jo paviršiuje, taigi būti nematomas. Susidomėjimas šia teorija mirė 1900-aisiais, tačiau, kai šviesos bangų teorija iškėlė svarbą.
Kai šiuolaikinėje fizikoje jie retai minimi, šie teoriniai dariniai vadinami „tamsiomis žvaigždėmis“, kad būtų galima atskirti juos nuo tikrųjų juodųjų skylių.
Juodosios skylės iš reliatyvumo
Per keletą mėnesių po to, kai Einsteinas paskelbė bendrąją reliatyvumą 1916 m., Fizikas Karlas Schwartzchildas sukūrė Einšteino sferinės masės lygties sprendimą (vadinamas Schwartzchild metrika)... su netikėtais rezultatais.
Spindulį išreiškiantis terminas turėjo nerimą keliančią savybę. Atrodė, kad tam tikru spinduliu termino vardiklis taps lygus nuliui, dėl kurio terminas matematiškai „susprogdins“. Šis spindulys, žinomas kaip Schwartzchild spindulys, rs, apibrėžiamas kaip:
rs = 2 GM/ c2
G yra gravitacijos konstanta, M yra masė, ir c yra šviesos greitis.
Kadangi Schwartzchild darbai pasirodė esminiai norint suprasti juodąsias skyles, keistas sutapimas, kad vardas Schwartzchild reiškia „juodas skydas“.
Juodosios skylės savybės
Objektas, kurio visa masė M slypi viduje rs yra laikoma juoda skyle. Įvykio horizontas yra vardas suteiktas rs, nes nuo to spindulio pabėgimo greitis iš juodosios skylės gravitacijos yra šviesos greitis. Juodosios skylės traukia masę per gravitacines jėgas, bet nė viena iš tų masių niekada negali ištrūkti.
Juodoji skylė dažnai paaiškinama tuo, kad daiktas ar masė „patenka“ į jį.
Y laikrodžiai X patenka į juodą skylę
- Y stebi idealizuotus laikrodžius ant X, lėtėjant, užšaldamas, kai X pataiko rs
- Y stebi X raudonojo poslinkio šviesą, pasiekdamas begalybę rs (taigi X tampa nematomas - vis tiek mes vis tiek galime pamatyti jų laikrodžius. Nėra teorinė fizika grandiozinis?)
- X teoriškai suvokia pastebimą pokytį, nors kai jis praeina rs neįmanoma niekada ištrūkti iš juodosios skylės sunkio. (Net šviesa negali išeiti iš įvykio horizonto.)
Juodosios skylės teorijos plėtra
1920-aisiais fizikai Subrahmanyan Chandrasekhar padarė išvadą, kad bet kuri žvaigždė yra masyvesnė nei 1,44 saulės masės ( Chadrasekhar riba), esant bendram reliatyvumui, turi žlugti. Fizikas Arthuras Eddingtonas manė, kad koks nors turtas užkirs kelią žlugimui. Abu buvo savaip teisūs.
Robertas Oppenheimeris numatė 1939 m., kad supermasyvi žvaigždė gali žlugti ir taip suformuoti „sušalusią žvaigždę“ gamtoje, o ne tik matematikoje. Atrodytų, kad griūtis sulėtės, faktiškai sušalus laikui toje vietoje, kur jis kerta rs. Šviesa iš žvaigždės patirs sunkų raudonasis poslinkis prie rs.
Deja, daugelis fizikų manė, kad tai yra tik labai simetriškos prigimties ypatybė Schwartzchildo metriką, manydami, kad gamtoje toks žlugimas iš tikrųjų neįvyks dėl asimetrijos.
Tik 1967 m. - beveik 50 metų po to, kai buvo aptiktas rs - kad fizikai Stephenas Hawkingas ir Rogeris Penrose'as parodė, kad ne tik juodosios skylės yra tiesioginis bendrosios reliatyvumo rezultatas, bet ir kad tokio žlugimo nebuvo įmanoma sustabdyti. Atradimas pulsatorių palaikė šią teoriją ir netrukus 1967 m. Gruodžio 29 d. Paskaitoje fizikas Johnas Wheeleris sukūrė šio reiškinio terminą „juodoji skylė“.
Vėliau atliktas darbas apėmė Hawkingo radiacija, kuriose juodosios skylės gali skleisti radiaciją.
Juodosios skylės spekuliacija
Juodosios skylės yra sritis, pritraukianti teoretikus ir eksperimentuotojus, norinčius iššūkio. Šiandien yra beveik visuotinis susitarimas, kad juodosios skylės egzistuoja, nors vis dar abejojama dėl jų tikslaus pobūdžio. Kai kurie mano, kad medžiaga, patenkanti į juodąsias skylutes, gali vėl atsirasti kur nors kitur visatoje, kaip ir a atveju kirminas.
Vienas reikšmingas juodųjų skylių teorijos papildymas yra tas Hawkingo radiacija, sukūrė britų fizikas Stephenas Hawkingas 1974 m.