Juodoji bedugnė

Juodoji bedugnė arba juodoji skylė – kosminis darinys, kurio paviršiuje, vadinamame įvykių horizontu, traukos jėga stipresnė už kritinę reikšmę, kuriai esant, šviesa dar gali palikti objekto paviršių. Gravitacinės traukos jėga tos pačios masės objektui stiprėja, mažėjant jo spinduliui.

Juodųjų bedugnių susidarymą ir savybes aiškina bendroji reliatyvumo teorija.

Struktūra ir savybės

Juodosios bedugnės savybės nepriklauso nuo objekto, iš kurio ji susidarė ar kuriuos ji į save įtraukė. Informacija apie juos prarandama. Juodosios bedugnės tarpusavyje skiriasi tik trimis savybėmis – mase, sukimosi greičiu ir elektriniu krūviu^[1].

Juodosios bedugnės masė

Pagal masę juodosios bedugnės skirstomos į tris grupes:

Žvaigždinės masės juodosios bedugnės masė siekia iki kelių dešimčių Saulės masių. Susidaro iš masyvių žvaigždžių jų raidos pabaigoje^[2].
Vidutinės juodosios bedugnės masė siekia nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių Saulės masių. Aptinkamos kamuolinių spiečių centruose^[3].
Supermasyvios juodosios bedugnės masė siekia nuo kelių milijonų iki kelių milijardų Saulės masių. Aptinkamos galaktikų centruose^[4].

Teoriškai įmanomos ir mažesnės juodosios bedugnės, bet realybėje jos neaptiktos.

Įvykių horizontas

Įvykių horizontas – riba aplink juodąją bedugnę, iš kurios nebegali pabėgti šviesos spinduliai, tuo labiau kitos dalelės ar objektai. Nesisukančių juodųjų bedugnių įvykių horizontas sferos formos, besisukančių – suploto sferoido. Nesisukančios juodosios bedugnės įvykių horizonto sferos spindulys sutampa su kritiniu spinduliu, iki kurio suspaudus tam tikros masės objektą, jis virsta juodaja bedugne (Švarcšildo spindulys). Jis apskaičiuojamas taip:

Greitis, kuriuo reikia judėti, norint palikti traukiančią žvaigždę ar planetą, pagal Niutono dėsnius yra toks, kad kinetinė energija prilygtų gravitacinio lauko sukurtai potencinei energijai:

{GMm \over r}={mv^{2} \over 2}

kur G – gravitacijos konstanta, r – atstumas nuo žvaigždės ar planetos centro, M – žvaigždės ar planetos masė, m – kylančio kūno (tarkim, raketos) masė ir v – šio kūno greitis. Iš čia reikiamas pakilti greitis (pabėgimo greitis) lygus

v^{2}={2GM \over r}

Kadangi šviesos greičio negali viršyti joks materialus kūnas, juodoji bedugnė atsiranda objekto spinduliui sumažėjus iki

r_{g}={2GM \over c^{2}}\,\!

čia c – šviesos greitis.

Gravitacinis singuliarumas

Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, objektui susitraukus žemiau kritinio skersmens, jo tolesnio traukimosi nebegali sustabdyti jokios jėgos, todėl juodoji bedugnė susitraukia iki taško (nesisukančios juodosios bedugnės) arba apskritimo (besisukančios juodosios bedugnės)^[5]. Abiems atvejais jos tūris lygus nuliui.

Singuliarumo taške erdvėlaikis neapibrėžtai iškreipiamas ir žinomi fizikos dėsniai nustoja galioti^[6].

Kyla viena svarbiausių šiuolaikinės fizikos problemų – reliatyvumo teorija juodųjų bedugnių atveju prieštarauja kvantinei fizikai, teigiančiai, kad dalelės negali užimti mažesnės negu jų bangos ilgis erdvės. Deja, bent šiuo metu neįmanoma nustatyti tikrosios vidinės juodųjų bedugnių struktūros, nes visais žinomais atvejais jas dengia įvykių horizontas (tai vadinama kosmine cenzūra).

Tankis

Dėl singuliarumo juodosios bedugnės tankis yra laikomas begaliniu. Formaliai galima apskaičiuoti įvykių horizonto apribotos erdvės tankį. Kuo mažesnis kritinis spindulys, tuo didesnis yra juo apribotos erdvės tankis, ir atvirkščiai. Laikant, kad juodosios bedugnės spindulys sutampa su jos įvykių horizonto spinduliu, jos tankį galima rasti, padalijus juodosios bedugnės masę iš kritinio spindulio rutulio tūrio:

\rho ={\frac {3\,c^{6}}{32\pi M^{2}G^{3}}}

Pagal šią formulę randamas Saulės masės juodosios bedugnės tankis yra maždaug lygus atomo branduolio tankiui. Tuo tarpu supermasyvios bedugnės, kurios masė lygi, tarkim, 10⁸ Saulės masių, tokiu būdu apskaičiuotas tankis yra panašus į vandens tankį^[2].

Susidarymas

Gravitacinis kolapsas

Žinomos juodosios bedugnės yra gana didelės, ir manoma, jog jos susidarė šiuo būdu. Gravitacinis kolapsas įvyksta, kai objekto vidinio slėgio nebepakanka atsilaikyti prieš jo paties gravitaciją^[5]. Šia stadija užsibaigia masyvių žvaigždžių raida. Pasibaigus branduolinėms reakcijoms žvaigždėje, ji atvėsta, slėgis sumažėja ir ją sugniuždo jos pačios masė. Kolapso metu didžioji dalis išorinių žvaigždės sluoksnių nubloškiama tolyn (įvyksta supernovos sprogimas), todėl sugniuždomas tik žvaigždės branduolys – žvaigždės likutis, daug lengvesnis už pradinę žvaigždę. Mažesnių žvaigždžių kolapsas ribotas ir jo metu susiformuoja kompaktiška žvaigždė – baltoji nykštukė arba neutroninė žvaigždė. Tačiau, jei žvaigždės likučio masė viršija Tolmano–Openhaimerio–Volkovo ribą (1,3 – 3 Saulės masės), žvaigždė virsta juodąja bedugne^[7].

Pirmykštės juodosios bedugnės

Kadangi juodųjų bedugnių susidarymui reikalingas didžiulis tankis, šiuo metu gravitacinio kolapso būdu gali susidaryti tik didelės juodosios bedugnės, tačiau po Didžiojo sprogimo medžiagos tankis buvo daug didesnis negu dabar, todėl galėjo egzistuoti sąlygos susidaryti bet kokio dydžio juodosioms bedugnėms^[8].

Didelės energijos susidūrimai

Teoriškai įmanoma juodajai bedugnei susidaryti, susidūrus milžinišku greičiu (galinčiu sukurti reikiamą tankį susidūrimo metu) judančioms dalelėms ar objektams. Dar nėra nustatyta, kokių procesų metu tai galėtų nutikti.

Aptikimas

Juodoji bedugnė tiesiogiai nematoma, nes šviesa negali jos palikti. Tačiau į ją krintančios dalelės spinduliuoja stiprų rentgeno spinduliavimą, kurį galima stebėti. Taip pat galima stebėti jos gravitacinį poveikį netoli esantiems objektams. Bedugnės eksperimentiškai aptinkamos, stebint įvairius spinduliavimus, kurie susidaro veikiant jos galingam gravitaciniam laukui.

Manoma, jog itin didelės juodosios bedugnės gali būti reliatyvistinių čiurkšlių priežastimi.

2019 m. balandžio 10 d. pirmąją juodosios bedugnės nuotrauką sėkmingai padarė Įvykių horizonto teleskopu, kurį sudaro 8 skirtingi super dideli teleskopai skirtingose žemės vietose.^[9] Nuotraukoje matoma super galaktikos Messier 87 juodoji skylė. Jos masė yra apie 7 milijardus kartų didesnė už Saulės masę.^[10]

Garavimas

Termodinamiškai juodosios bedugnės nėra stabilūs dariniai. Jos „garuoja“ dėl vadinamojo Hokingo spinduliavimo^[11]. Yra žinoma, kad vakuumas yra kvantinių fliuktuacijų jūra. Joje nuolat atsiranda dalelių – antidalelių poros. Normaliai jos vėl tuoj pat anihiliuoja. Tačiau jei tokia dalelių – antidalelių pora atsirastų išorėje įvykių horizonto, tačiau prie pat jo, yra galimybė, kad viena dalelė nuskries į juodąją bedugnę, kita išlėks. Išoriniam stebėtojui atrodys, kad juodoji bedugnė išmetė dalelę ir prarado truputį masės. Šio proceso metu bedugnė spinduliuoja kaip apskaičiuojamos temperatūros absoliučiai juodas kūnas.

Žinoma, kad be tokio „garavimo“ proceso, juodoji bedugnė sugeria ir bet kokį spinduliavimą. Energijos balansas priklauso nuo juodosios bedugnės masės. Taip Mėnulio dydžio juodoji bedugnė gaus tiek pat energijos (atitinkamai ir masės) iš reliktinio spinduliavimo, kiek išgaruos iš jos dėl Hokingo spinduliavimo. Dar didesnės juodosios bedugnės sugers daugiau energijos negu jos „išgarins“. Bedugnė, kuri šiuo metu spinduliuoja tiek pat energijos, kiek sugeria, turėtų būti maždaug Mėnulio dydžio. Mažos bedugnės garuoja labai greitai: automobilio masės bedugnė išgaruotų per 200 ns, garavimo metu tvykstelėdama 200 kartų ryškiau nei Saulė.

Žinoma, laikui bėgant, reliktinis spinduliavimas silpnėja. Dėl to, maždaug po 10¹⁰⁰ metų, „išgaruos“ ir pačios masyviausios / didžiausios juodosios bedugnės.

Pavadinimo kilmė

„Juodosios skylės“ terminas pirmą kartą mokslinėje spaudoje pavartotas 1964 metų gruodžio 18 dieną „Science News Letter“ žurnale (nuo 1966 metų — Science News), skirtame mokslo ir technikos pasiekimams. 1967 m. šį terminą išpopuliarino fizikas Dž. Vileris, skaitydamas paskaitą ir naudodamas jį vietoje iki tol siūlyto „sušąlusios žvaigždės“ termino^[12]. Ilgą laiką pažodinis vertimas iš anglų kalbos buvo naudojamas ir lietuvių mokslo populiarintojų. Tačiau šis terminas kiek klaidina, nes tai nėra „skylė“ erdvėje. Todėl 2002 metais V. Straižio Astronomijos enciklopediniame žodyne pasiūlytas naujadaras „juodoji bedugnė“. Jis tiksliau atspindi situaciją, nes išorinio stebėtojo atžvilgiu objektas, krentantis į juodąją bedugnę, niekada jos (įvykių horizonto) nepasieks.

Taip pat skaityti

Šaltiniai

Vikiteka: Juodoji bedugnė – vaizdinė ir garsinė medžiaga

[1] Heusler, M. (1998). „Stationary Black Holes: Uniqueness and Beyond“. Living Reviews in Relativity 1 (6).

[Celotti-2] 2,0 ^2,1 Celotti, A.; Miller, J.C.; Sciama, D.W. (1999). „Astrophysical evidence for the existence of black holes“. Classical and Quantum Gravity 16 (12A): A3–A21.

[3] Gebhardt, Karl; Rich, R. M.; Ho, Luis C. (December 2005), „An Intermediate-Mass Black Hole in the Globular Cluster G1: Improved Significance from New Keck and Hubble Space Telescope Observations“, The Astrophysical Journal 634 (2): 1093–1102

[4] Antonucci, R. (1993). „Unified Models for Active Galactic Nuclei and Quasars“. Annual Reviews in Astronomy and Astrophysics 31 (1): 473–521.

[Carroll-5] 5,0 ^5,1 Carroll, Sean M. (2004). Spacetime and Geometry. Addison Wesley.

[6] Hawking, S. W. (1998). A Brief History of Time. Bantam Dell Publishing Group

[7] I. Bombaci (1996). „The Maximum Mass of a Neutron Star“. Astronomy and Astrophysics 305: 871–877.

[8] Carr, B. J. (2005). "Primordial Black Holes: Do They Exist and Are They Useful? ". In Suzuki, H.; Yokoyama, J.; Suto, Y.; Sato, K. Inflating Horizon of Particle Astrophysics and Cosmology. Universal Academy Press.

[9] Darkness Visible, Finally: Astronomers Capture First Ever Image of a Black Hole

[10] Black Hole Image Makes History

[11] Hawking, S. W. (1974). "Black hole explosions? ". Nature 248 (5443): 30–31.

[12] Ruffini, R.; Wheeler, J. A. (1971). „Introducing the black hole“. Physics Today 24 (1): 30–41.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]