Për shkencëtarët modernë, një vrimë e zezë është një nga fenomenet më misterioze në universin tonë. Studimi i objekteve të tilla është i vështirë, nuk është e mundur t'i provosh "nga përvoja". Masa, dendësia e substancës së një vrime të zezë, proceset e formimit të këtij objekti, dimensionet - e gjithë kjo ngjall interes tek specialistët, dhe nganjëherë - hutim. Le ta shqyrtojmë temën në më shumë detaje. Së pari, le të analizojmë se çfarë është një objekt i tillë.
Informacion i përgjithshëm
Një tipar mahnitës i një objekti kozmik është kombinimi i një rrezeje të vogël, një densiteti të lartë të materies së vrimës së zezë dhe një mase tepër të madhe. Të gjitha vetitë fizike të njohura aktualisht të një objekti të tillë duken të çuditshme për shkencëtarët, shpesh të pashpjegueshme. Edhe astrofizikanët më me përvojë mbeten ende të mahnitur nga veçoritë e fenomeneve të tilla. Tipari kryesor që i lejon shkencëtarët të identifikojnë një vrimë të zezë është horizonti i ngjarjeve, domethënë kufiri për shkak të të cilitasgjë nuk kthehet, duke përfshirë dritën. Nëse një zonë është e ndarë përgjithmonë, kufiri i ndarjes përcaktohet si horizonti i ngjarjeve. Me ndarjen e përkohshme, fiksohet prania e një horizonti të dukshëm. Ndonjëherë e përkohshme është një koncept shumë i lirshëm, domethënë, rajoni mund të ndahet për një periudhë që tejkalon moshën aktuale të universit. Nëse ekziston një horizont i dukshëm që ekziston për një kohë të gjatë, është e vështirë ta dallosh atë nga horizonti i ngjarjeve.
Në shumë mënyra, vetitë e një vrime të zezë, dendësia e substancës që e formon atë, janë për shkak të cilësive të tjera fizike që veprojnë në ligjet tona botërore. Horizonti i ngjarjeve të një vrime të zezë sferike simetrike është një sferë diametri i së cilës përcaktohet nga masa e saj. Sa më shumë masë tërhiqet nga brenda, aq më e madhe është vrima. E megjithatë ai mbetet çuditërisht i vogël në sfondin e yjeve, pasi presioni gravitacional ngjesh gjithçka brenda. Nëse imagjinojmë një vrimë, masa e së cilës korrespondon me planetin tonë, atëherë rrezja e një objekti të tillë nuk do të kalojë disa milimetra, domethënë do të jetë dhjetë miliardë më pak se toka. Rrezja u emërua pas Schwarzschild, shkencëtarit që nxori i pari vrimat e zeza si një zgjidhje për teorinë e përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit.
Dhe brenda?
Duke hyrë në një objekt të tillë, një person nuk ka gjasa të vërejë një densitet të madh në vetvete. Vetitë e një vrime të zezë nuk janë kuptuar mirë për të qenë të sigurt se çfarë do të ndodhë, por shkencëtarët besojnë se asgjë e veçantë nuk mund të zbulohet kur kalon horizontin. Kjo shpjegohet nga ekuivalenti i Ajnshtajnitparimi që shpjegon pse fusha që formon lakimin e horizontit dhe nxitimi i natyrshëm në rrafsh nuk ndryshojnë për vëzhguesin. Kur gjurmoni procesin e kalimit nga një distancë, mund të shihni se objekti fillon të ngadalësohet afër horizontit, sikur koha kalon ngadalë në këtë vend. Pas ca kohësh, objekti do të kalojë horizontin, do të bjerë në rrezen e Schwarzschild.
Densiteti i materies në një vrimë të zezë, masa e një objekti, dimensionet e tij dhe forcat e baticës dhe fusha gravitacionale janë të lidhura ngushtë. Sa më e madhe të jetë rrezja, aq më e ulët është dendësia. Rrezja rritet me peshën. Forcat e baticës janë në përpjesëtim të zhdrejtë me peshën në katror, domethënë, me rritjen e dimensioneve dhe zvogëlimin e densitetit, forcat e baticës së objektit zvogëlohen. Do të jetë e mundur të kapërceni horizontin përpara se të vini re këtë fakt nëse masa e objektit është shumë e madhe. Në ditët e para të relativitetit të përgjithshëm, besohej se kishte një singularitet në horizont, por kjo doli të mos ishte kështu.
Rreth densitetit
Siç kanë treguar studimet, dendësia e një vrime të zezë, në varësi të masës, mund të jetë pak a shumë. Për objekte të ndryshme, ky tregues ndryshon, por gjithmonë zvogëlohet me rritjen e rrezes. Mund të shfaqen vrima supermasive, të cilat formohen në mënyrë të gjerë për shkak të grumbullimit të materialit. Mesatarisht, dendësia e objekteve të tilla, masa e të cilave korrespondon me masën totale të disa miliardë ndriçuesve në sistemin tonë, është më e vogël se dendësia e ujit. Ndonjëherë është i krahasueshëm me nivelin e densitetit të gazit. Forca e baticës së këtij objekti aktivizohet tashmë pasi vëzhguesi kapërcen horizontinngjarjet. Eksploruesi hipotetik nuk do të dëmtohej kur i afrohej horizontit dhe do të binte mijëra kilometra nëse do të gjente mbrojtje nga plazma e diskut. Nëse vëzhguesi nuk shikon prapa, ai nuk do të vërejë se horizonti është kapërcyer dhe nëse kthen kokën, me siguri do të shohë rrezet e dritës të ngrira në horizont. Koha për vëzhguesin do të rrjedhë shumë ngadalë, ai do të jetë në gjendje të gjurmojë ngjarjet pranë vrimës deri në momentin e vdekjes - qoftë ajo ose Universi.
Për të përcaktuar densitetin e një vrime të zezë supermasive, duhet të dini masën e saj. Gjeni vlerën e kësaj sasie dhe vëllimin Schwarzschild të natyrshëm në objektin hapësinor. Mesatarisht, një tregues i tillë, sipas astrofizikanëve, është jashtëzakonisht i vogël. Në një përqindje mbresëlënëse të rasteve, është më pak se niveli i densitetit të ajrit. Fenomeni shpjegohet si më poshtë. Rrezja e Schwarzschild është e lidhur drejtpërdrejt me peshën, ndërsa dendësia është e lidhur në mënyrë të zhdrejtë me vëllimin, dhe rrjedhimisht rrezja e Schwarzschild. Vëllimi lidhet drejtpërdrejt me rrezen e kubit. Masa rritet në mënyrë lineare. Prandaj, vëllimi rritet më shpejt se pesha, dhe dendësia mesatare bëhet më e vogël, aq më e madhe është rrezja e objektit në studim.
Kurioz të di
Forca e baticës e natyrshme në një vrimë është një gradient i forcës së gravitetit, i cili është mjaft i madh në horizont, kështu që edhe fotonet nuk mund të ikin prej këtu. Në të njëjtën kohë, rritja e parametrit ndodh mjaft mirë, gjë që bën të mundur që vëzhguesi të kapërcejë horizontin pa rrezik për veten e tij.
Studime të densitetit të një vrime të zezë nëqendra e objektit është ende relativisht e kufizuar. Astrofizikanët kanë vërtetuar se sa më afër singularitetit qendror, aq më i lartë është niveli i densitetit. Mekanizmi i llogaritjes i përmendur më parë ju lejon të merrni një ide shumë mesatare të asaj që po ndodh.
Shkencëtarët kanë ide jashtëzakonisht të kufizuara për atë që po ndodh në vrimë, strukturën e saj. Sipas astrofizikanëve, shpërndarja e densitetit në një vrimë nuk është shumë domethënëse për një vëzhgues të jashtëm, të paktën në nivelin aktual. Specifikimi shumë më informues i gravitetit, peshës. Sa më e madhe të jetë masa, aq më e fortë qendra, horizonti, ndahen nga njëri-tjetri. Ekzistojnë gjithashtu supozime të tilla: vetëm përtej horizontit, materia mungon në parim, ajo mund të zbulohet vetëm në thellësi të objektit.
A dihet ndonjë numër?
Shkencëtarët kanë qenë duke menduar për densitetin e një vrime të zezë për një kohë të gjatë. Janë kryer disa studime, janë bërë përpjekje për të llogaritur. Këtu është një prej tyre.
Masa diellore është 210^30 kg. Një vrimë mund të formohet në vendin e një objekti që është disa herë më i madh se Dielli. Dendësia e vrimës më të lehtë është vlerësuar mesatarisht në 10^18 kg/m3. Ky është një rend i madhësisë më i lartë se dendësia e bërthamës së një atomi. Përafërsisht i njëjti ndryshim nga karakteristikat e nivelit mesatar të densitetit të një ylli neutron.
Ekzistenca e vrimave ultra të lehta është e mundur, dimensionet e të cilave korrespondojnë me grimcat nënbërthamore. Për objekte të tilla, indeksi i densitetit do të jetë tepër i madh.
Nëse planeti ynë bëhet një vrimë, dendësia e tij do të jetë afërsisht 210^30 kg/m3. Megjithatë, shkencëtarët nuk kanë qenë në gjendjezbuloni proceset si rezultat i të cilave shtëpia jonë hapësinore mund të shndërrohet në një vrimë të zezë.
Rreth numrave më në detaje
Densiteti i vrimës së zezë në qendër të Rrugës së Qumështit është vlerësuar në 1.1 milion kg/m3. Masa e këtij objekti korrespondon me 4 milionë masa diellore. Rrezja e vrimës vlerësohet në 12 milion km. Dendësia e treguar e vrimës së zezë në qendër të Rrugës së Qumështit jep një ide të parametrave fizikë të vrimave supermasive.
Nëse pesha e një objekti është 10^38 kg, domethënë vlerësohet në afërsisht 100 milionë Diej, atëherë dendësia e një objekti astronomik do të korrespondojë me nivelin e densitetit të granitit që gjendet në planetin tonë.
Ndër të gjitha vrimat e njohura për astrofizikanët modernë, një nga vrimat më të rënda u gjet në kuazarin OJ 287. Pesha e tij korrespondon me 18 miliardë ndriçues të sistemit tonë. Sa është dendësia e një vrime të zezë, shkencëtarët kanë llogaritur pa shumë vështirësi. Vlera doli të ishte shumë e vogël. Është vetëm 60 g/m3. Për krahasim: ajri atmosferik i planetit tonë ka një densitet prej 1,29 mg/m3.
Nga vijnë vrimat?
Shkencëtarët jo vetëm që kryen kërkime për të përcaktuar densitetin e një vrime të zezë në krahasim me yllin e sistemit tonë ose trupat e tjerë kozmikë, por gjithashtu u përpoqën të përcaktojnë se nga vijnë vrimat, cilat janë mekanizmat për formimin e tyre objekte misterioze. Tani ekziston një ide e katër mënyrave për shfaqjen e vrimave. Opsioni më i kuptueshëm është kolapsi i një ylli. Kur bëhet i madh, sinteza në bërthamë përfundon,presioni zhduket, lënda bie në qendrën e gravitetit, kështu që shfaqet një vrimë. Ndërsa i afroheni qendrës, dendësia rritet. Herët a vonë, treguesi bëhet aq domethënës sa objektet e jashtme nuk janë në gjendje të kapërcejnë efektet e gravitetit. Nga ky moment, shfaqet një vrimë e re. Ky lloj është më i zakonshëm se të tjerët dhe quhet vrima me masë diellore.
Një lloj tjetër mjaft i zakonshëm i vrimave është një supermasive. Këto vërehen më shpesh në qendrat galaktike. Masa e objektit në krahasim me vrimën e masës diellore të përshkruar më sipër është miliarda herë më e madhe. Shkencëtarët nuk kanë përcaktuar ende proceset e shfaqjes së objekteve të tilla. Supozohet se fillimisht formohet një vrimë sipas mekanizmit të përshkruar më sipër, pastaj yjet fqinjë thithen, gjë që çon në rritje. Kjo është e mundur nëse zona e galaktikës është e populluar dendur. Thithja e materies ndodh më shpejt nga sa mund të shpjegojë skema e mësipërme dhe shkencëtarët ende nuk mund ta marrin me mend se si vazhdon thithja.
Supozime dhe ide
Një temë shumë e vështirë për astrofizikanët janë vrimat primordiale. Të tilla, me siguri, shfaqen nga çdo masë. Ato mund të formohen në luhatje të mëdha. Ndoshta, shfaqja e vrimave të tilla ndodhi në Universin e hershëm. Deri më tani, studimet kushtuar cilësive, veçorive (përfshirë dendësinë) e vrimave të zeza, proceset e shfaqjes së tyre nuk na lejojnë të përcaktojmë një model që riprodhon me saktësi procesin e shfaqjes së një vrime parësore. Modelet e njohura aktualisht janë kryesisht të tilla që, nëse do të zbatoheshin në realitet,do të kishte shumë vrima.
Supozojmë se Përplasësi i Madh i Hadronit mund të bëhet burim i formimit të një vrime, masa e së cilës korrespondon me bozonin Higgs. Prandaj, dendësia e vrimës së zezë do të jetë shumë e madhe. Nëse një teori e tillë konfirmohet, mund të konsiderohet si provë indirekte për praninë e dimensioneve shtesë. Aktualisht, ky përfundim spekulativ ende nuk është konfirmuar.
Rrezatimi nga një vrimë
Emetimi i një vrime shpjegohet me efektet kuantike të materies. Hapësira është dinamike, kështu që grimcat këtu janë krejtësisht të ndryshme nga ato me të cilat jemi mësuar. Pranë vrimës, jo vetëm koha është e shtrembëruar; kuptimi i një grimce varet kryesisht nga kush e vëzhgon atë. Nëse dikush bie në një vrimë, i duket se po zhytet në vakum dhe për një vëzhgues të largët, duket si një zonë e mbushur me grimca. Efekti shpjegohet me shtrirjen e kohës dhe hapësirës. Rrezatimi nga vrima u identifikua për herë të parë nga Hawking, emri i të cilit iu dha fenomenit. Rrezatimi ka një temperaturë që lidhet në mënyrë të zhdrejtë me masën. Sa më e ulët të jetë pesha e një objekti astronomik, aq më e lartë është temperatura (si dhe dendësia e një vrime të zezë). Nëse vrima është supermasive ose ka një masë të krahasueshme me një yll, temperatura e natyrshme e rrezatimit të saj do të jetë më e ulët se sfondi i mikrovalës. Për shkak të kësaj, nuk është e mundur ta vëzhgosh atë.
Ky rrezatim shpjegon humbjen e të dhënave. Ky është emri i një fenomeni termik, i cili ka një cilësi të veçantë - temperaturën. Nuk ka informacion në lidhje me proceset e formimit të vrimave përmes studimit, por një objekt që lëshon një rrezatim të tillë humbet njëkohësisht masën (dhe për këtë arsye rritetdendësia e vrimës së zezë) zvogëlohet. Procesi nuk përcaktohet nga substanca nga e cila është formuar vrima, nuk varet nga ajo që është thithur në të më vonë. Shkencëtarët nuk mund të thonë se çfarë u bë baza e vrimës. Për më tepër, studimet kanë treguar se rrezatimi është një proces i pakthyeshëm, domethënë ai që thjesht nuk mund të ekzistojë në mekanikën kuantike. Kjo do të thotë se rrezatimi nuk mund të pajtohet me teorinë kuantike dhe mospërputhja kërkon punë të mëtejshme në këtë drejtim. Ndërsa shkencëtarët besojnë se rrezatimi Hawking duhet të përmbajë informacion, ne thjesht nuk i kemi ende mjetet, aftësitë për ta zbuluar atë.
Kurioz: rreth yjeve neutron
Nëse ekziston një supergjigant, kjo nuk do të thotë se një trup i tillë astronomik është i përjetshëm. Me kalimin e kohës, ajo ndryshon, hedh shtresat e jashtme. Xhuxhët e bardhë mund të dalin nga mbetjet. Opsioni i dytë janë yjet neutron. Proceset specifike përcaktohen nga masa bërthamore e trupit primar. Nëse vlerësohet brenda 1.4-3 diellore, atëherë shkatërrimi i supergjigantit shoqërohet me presion shumë të lartë, për shkak të të cilit elektronet, si të thuash, shtypen në protone. Kjo çon në formimin e neutroneve, emetimin e neutrinos. Në fizikë, ky quhet gaz i degjeneruar neutron. Presioni i tij është i tillë që ylli nuk mund të tkurret më.
Megjithatë, siç kanë treguar studimet, ndoshta jo të gjithë yjet neutron janë shfaqur në këtë mënyrë. Disa prej tyre janë mbetje të atyre të mëdha që shpërthyen si një supernova e dytë.
Rrezja e trupit të Tomitmë pak se më shumë masë. Për shumicën, ajo ndryshon midis 10-100 km. Janë kryer studime për të përcaktuar dendësinë e vrimave të zeza, yjeve neutron. Për të dytën, siç kanë treguar testet, parametri është relativisht afër atij atomik. Shifra specifike të vendosura nga astrofizikanët: 10^10 g/cm3.
Kurioz të di: teori dhe praktikë
Yjet neutrone u parashikuan në teori në vitet '60 dhe '70 të shekullit të kaluar. Pulsarët ishin të parët që u zbuluan. Këta janë yje të vegjël, shpejtësia e rrotullimit të të cilave është shumë e lartë dhe fusha magnetike është vërtet madhështore. Supozohet se pulsari i trashëgon këto parametra nga ylli origjinal. Periudha e rrotullimit varion nga milisekonda në disa sekonda. Pulsarët e parë të njohur lëshuan emetim periodik radio. Sot njihen pulsarët me rrezatim të spektrit të rrezeve X, rrezatim gama.
Procesi i përshkruar i formimit të yllit neutron mund të vazhdojë - nuk ka asgjë që mund ta ndalojë atë. Nëse masa bërthamore është më shumë se tre masa diellore, atëherë trupi me pikë është shumë kompakt, ai quhet vrima. Nuk do të jetë e mundur të përcaktohen vetitë e një vrime të zezë me masë më të madhe se ajo kritike. Nëse një pjesë e masës humbet për shkak të rrezatimit Hawking, rrezja do të ulet në të njëjtën kohë, kështu që vlera e peshës do të jetë përsëri më e vogël se vlera kritike për këtë objekt.
A mund të vdesë një vrimë?
Shkencëtarët parashtrojnë supozime për ekzistencën e proceseve për shkak të pjesëmarrjes së grimcave dhe antigrimcave. Luhatja e elementeve mund të bëjë që hapësira e zbrazët të karakterizohetniveli i energjisë zero, i cili (këtu është një paradoks!) nuk do të jetë i barabartë me zero. Në të njëjtën kohë, horizonti i ngjarjeve i natyrshëm në trup do të marrë një spektër me energji të ulët të natyrshme në trupin e zi absolut. Një rrezatim i tillë do të shkaktojë humbje të masës. Horizonti do tkurret pak. Supozoni se ekzistojnë dy çifte të një grimce dhe antagonisti i saj. Ekziston një asgjësim i një grimce nga një çift dhe antagonisti i saj nga një tjetër. Si pasojë, ka fotone që fluturojnë nga vrima. Çifti i dytë i grimcave të propozuara bie në vrimë, duke thithur njëkohësisht një masë të caktuar, energji. Gradualisht, kjo çon në vdekjen e vrimës së zezë.
Si përfundim
Sipas disave, një vrimë e zezë është një lloj fshesë me korrent kozmik. Një vrimë mund të gëlltisë një yll, madje mund të "hajë" një galaktikë. Në shumë mënyra, shpjegimi i cilësive të një vrime, si dhe tiparet e formimit të saj, mund të gjenden në teorinë e relativitetit. Prej saj dihet se koha është e vazhdueshme, si dhe hapësira. Kjo shpjegon pse proceset e kompresimit nuk mund të ndalen, ato janë të pakufizuara dhe të pakufizuara.
Këto janë këto vrima të zeza misterioze, mbi të cilat astrofizikanët kanë grumbulluar trurin e tyre për më shumë se një dekadë.
