შავი ხვრელის შემადგენლობა

ფრაზის "შავი ხვრელი" მოსმენისას ის თითქმის საიდუმლოებისა და საოცრების გრძნობას იწვევს, რაც შეიძლება საფრთხის ელემენტად იყოს შეფერილი. მიუხედავად იმისა, რომ ტერმინი "შავი ხვრელი" ყოველდღიურ ენაში გახდა სინონიმი "ადგილის წასვლა, არასოდეს ჩანს" კიდევ ერთხელ, "ხალხის უმეტესობა იცნობს მის გამოყენებას ასტრონომიის სამყაროში, თუ არა აუცილებლად ზუსტი მახასიათებლებით და განმარტებები.

ათწლეულების განმავლობაში, შავი ხვრელების შეჯამების ყველაზე გავრცელებულ თავშესაფრებს შორისაა "ადგილი, სადაც გრავიტაცია იმდენად ძლიერია, სინათლეს შეუძლია გაქცევა. ”მიუხედავად იმისა, რომ ეს საკმაოდ ზუსტი რეზიუმეა დასაწყებად, ბუნებრივია გაინტერესებდეს, როგორ შეიძლება მოხდეს ასეთი რამ თან.

სხვა კითხვები მრავლადაა. რა არის შიგნით შავი ხვრელი? არსებობს სხვადასხვა სახის შავი ხვრელები? და რა არის ტიპიური შავი ხვრელის ზომა, თუ ჩავთვლით, რომ ასეთი რამ არსებობს და მისი გაზომვა შეიძლება? ჰაბლის ტელესკოპის გაშვებამ მოახდინა რევოლუცია, თუ როგორ შეიძლება შავი ხვრელების შესწავლა.

სანამ შავი ხვრელების და ცუდი სიტყვების თემას გაეცნობით, სასარგებლოა შავი ტერმინების მახასიათებლებისა და გეომეტრიის დასადგენად გამოყენებული ძირითადი ტერმინოლოგია.

განსაკუთრებით აღსანიშნავია, რომ ყველა შავ ხვრელს აქვს თავისი ეფექტური ცენტრი, ასინგულარობა, რომელიც იმდენად შეკუმშული მატერიისგან შედგება, რომ თითქმის წერტილოვანი მასაა. უზარმაზარი სიმკვრივის შედეგად წარმოიქმნება გრავიტაციული ველი იმდენად ძლიერი, რომ გარკვეულ მანძილზე ფოტონებიც კი, რომლებიც სინათლის "ნაწილაკებია", ვერ გაათავისუფლებს. ეს მანძილი ცნობილია როგორცშვარცჩილდის რადიუსი; არა-მბრუნავ შავ ხვრელში (და უფრო დინამიური ტიპის შესახებ შეიტყობთ შემდეგ განყოფილებაში), ამ რადიუსის უხილავი სფერო, რომლის სინგულარობაც არის მის ცენტრში, ქმნისწვეულების საზღვარი​.

რა თქმა უნდა, ამაში არცერთი არ ხსნის, თუ საიდან მოდის რეალურად შავი ხვრელები. ისინი სპონტანურად და შემთხვევით ადგილებში ჩნდებიან მთელს კოსმოსში? თუ ასეა, რაიმე სახის პროგნოზირება არსებობს? მათი გაბედული ენერგიის გათვალისწინებით, სასარგებლო იქნებოდა იმის ცოდნა, აპირებდა თუ არა შავი ხვრელი დედამიწის მზის სისტემის ზოგადად სიახლოვეს მაღაზიის გახსნას.

შავი ხვრელების არსებობა პირველად შემოთავაზებულ იქნა 1700-იან წლებში, მაგრამ იმ დროის მეცნიერებს არ გააჩნდათ ისეთი ინსტრუმენტები, რაც მათ შემოგვთავაზეს. 1900-იანი წლების დასაწყისში გერმანელმა ასტრონომმა კარლ შვარცჩილდმა (დიახ, ის) გამოიყენა აინშტაინის ზოგადი თეორია ფარდობითობა შავი ხვრელების ფიზიკურად ყველაზე თვალსაჩინო ქცევის დასადგენად - მათი შესაძლებლობა სინათლის "ხაფანგში".

თეორიულად, შვარცჩილდის ნამუშევრების საფუძველზე, ნებისმიერი მასა შეიძლება იყოს შავი ხვრელის საფუძველი. ერთადერთი მოთხოვნაა, რომ მისი რადიუსი შეკუმშვის შემდეგ არ უნდა აღემატებოდეს შვარცჩილდის რადიუსს.

შავი ხვრელების არსებობამ ფიზიკოსებს თავსატეხი გაუჩინა, თუმცა მოსალოდნელია გადაჭრის მცდელობა. ითვლება, რომ შავი ხვრელის მიდამოებში სიმძიმის განსაკუთრებული ძალის შედეგად წარმოქმნილი სივრცისა და დროის გამრუდების წყალობით, ფიზიკის კანონები სინამდვილეში იშლება; რადგან მოვლენათა ჰორიზონტი ადამიანის ანალიზისთვის მიუწვდომელია, ეს კონფლიქტი ფაქტობრივად არ წარმოადგენს კონფლიქტს ასტროფიზიკოსებისთვის.

თუ ადამიანი ფიქრობს, რომ შავი ხვრელის ზომა არის მოვლენათა ჰორიზონტის მიერ ჩამოყალიბებული სფერო, სიმჭიდროვე ბევრად განსხვავდება, ვიდრე შავი ამის ნაცვლად ხვრელი განიხილება მხოლოდ როგორც სასაცილოდ პატარა ჩამონგრეული ვარსკვლავი, მასა ქმნის სინგულარობას (ამის შესახებ მომენტი).

მეცნიერებს მიაჩნიათ, რომ შავი ხვრელები შეიძლება ისეთივე პატარა იყოს, როგორც გარკვეული ატომები, მაგრამ იმდენივე მასა აქვთ, როგორც მთას დედამიწაზე. მეორეს მხრივ, ზოგი შეიძლება იყოს დაახლოებით 15 – ჯერ ან მასიური, ვიდრე მზე, ხოლო ჯერ კიდევ პატარაა (მაგრამ არა ატომური ზომის). ესენივარსკვლავური შავი ხვრელებიგვხვდება მთელ გალაქტიკებში, მათ შორის ირმის ნახტომიც, რომელშიც დედამიწა და მზის სისტემა მდებარეობს.

სხვა შავი ხვრელები შეიძლება ბევრად უფრო დიდი იყოს. ესენისუპერ მასიური შავი ხვრელებიშეიძლება იყოს მზეზე მილიონზე მეტი მასიური და ითვლება, რომ ყველა გალაქტიკას აქვს თავისი ცენტრი. ის ირმის ნახტომის ცენტრში, გახმოვანებულიმშვილდოსანი ა, საკმარისად დიდია, რომ რამდენიმე მილიონი დედამიწა შეინახოს, მაგრამ ეს მოცულობა მკრთალდება ობიექტის მასასთან შედარებით - სავარაუდოდ 4 მილიონი მზეა.

იმის ნაცვლად, რომ ჩამოყალიბდეს და გამოჩნდეს არაპროგნოზირებადი, საფრთხე, რომელიც ადრე მსუბუქად იყო მინიშნებული, ითვლება, რომ შავი ხვრელები ერთდროულად წარმოიქმნება, როგორც უფრო დიდი ობიექტები, რომელშიც ისინი ცხოვრობენ." სავარაუდოდ, ზოგიერთი პატარა შავი ხვრელი ჩამოყალიბდა იმავდროულად, როდესაც თვით კოსმოსი გაჩნდა, დიდი აფეთქების დროს თითქმის 14 მილიარდი წელი წინ

შესაბამისად, სუპერმასიური შავი ხვრელები ცალკეულ გალაქტიკებში წარმოიქმნება იმ დროს, როდესაც ეს გალაქტიკები ვარსკვლავთშორისი მატერიიდან არსებობენ. სხვა შავი ხვრელები წარმოიქმნება ძალადობრივი მოვლენის შედეგად, რომელსაც ეწოდება aსუპერნოვა​.

სუპერნოვა არის ვარსკვლავის იმპლოზიური, ანუ "ტრავმული" სიკვდილი, ვიდრე გიგანტური ციური ემბერივით დაწვა. ასეთი მოვლენები ხდება მაშინ, როდესაც ვარსკვლავმა ამოწურა თავისი საწვავის იმდენი ნაწილი, რომ საკუთარი მასის ქვეშ იწყებს დაშლას. ამ აფეთქებას შედეგად მოჰყვა აფეთქება, რამაც დააგდო ვარსკვლავის დარჩენილი ნაწილი და თავის ადგილზე დატოვა სინგულარობა.

ფიზიკოსებისთვის ერთ-ერთი ზემოხსენებული პრობლემაა ის, რომ შავი ხვრელის ნაწილის სიმკვრივე სინგულარობად მიიჩნევა არ შეიძლება გამოითვალოს სხვა რამ უსასრულოდ, რადგან გაურკვეველია რამდენად მცირეა მასა სინამდვილეში (მაგალითად, რამდენად მცირეა იგი იკავებს). შავი ხვრელის სიმკვრივის აზრიანად გამოსათვლელად, უნდა იქნას გამოყენებული მისი შვარცჩილდის რადიუსი.

დედამიწის მასის შავ ხვრელს აქვს თეორიული სიმკვრივე დაახლოებით 2 × 10²⁷ გ / სმ³ (ცნობისთვის, წყლის სიმკვრივე არის მხოლოდ 1 გ / სმ³). ამგვარი სიდიდის პრაქტიკულად შეუძლებელია ყოველდღიური ცხოვრების კონტექსტში მოყვანა, მაგრამ კოსმოსური შედეგები პროგნოზირებულია უნიკალური. ამის გამოსათვლელად, მასას ყოფთ მოცულობაზე, რადიუსის "გასწორების" შემდეგ შავი ხვრელისა და მზის ფარდობითი მასების გამოყენებით, როგორც ნაჩვენებია შემდეგ მაგალითში.

​პრობლემის ნიმუში:შავი ხვრელის მასა დაახლოებით 3,9 მილიონი (3,9 10)⁶) მზეები, მზის მასა 1,99 × 10³³ გრამი, და მიჩნეულია, რომ ის არის სფერო, რომლის შვარცჰილდის რადიუსია 3 × 10⁵ სმ. რა არის მისი სიმჭიდროვე?

პირველი, იპოვნეთსფეროს ეფექტური რადიუსი, რომელიც ქმნის მოვლენათა ჰორიზონტსშვარცილდის რადიუსის გამრავლებით შავი ხვრელის მასის და მზის თანაფარდობაზე, მოცემულია 3,9 მილიონი:

შემდეგ გამოთვალეთ სფეროს მოცულობა, რომელიც ნაპოვნია ფორმულადან V = (4/3) πr³:

დაბოლოს, სიმკვრივის მისაღებად დაყავით სფეროს მასა ამ მოცულობის მიხედვით. იმის გამო, რომ მოგეცემათ მზის მასა და ის ფაქტი, რომ შავი ხვრელის მასა 3,9 მილიონჯერ მეტია, ამ მასის გამოთვლა შეგიძლიათ როგორც (3,9 × 10⁶)(1.99 × 10³³ ზ) = 7,76 10³⁹ გ ამიტომ სიმჭიდროვეა:

ასტრონომებმა შავი ხვრელების კლასიფიკაციის სხვადასხვა სისტემა შექმნეს, ერთი მხოლოდ მასაზე დაფუძნებული, ხოლო მეორე მუხტისა და ბრუნვის საფუძველზე. როგორც ზემოთ ავღნიშნეთ, შავი ხვრელების უმეტესობა (თუ არა ყველა) ბრუნავს ღერძზე, როგორც დედამიწა.

შავი ხვრელების კლასიფიკაცია მასაზე დაყრდნობით იძლევა შემდეგ სისტემას:

• ​პირველადი შავი ხვრელები:მათ აქვთ დედამიწის მსგავსი მასები. ეს წმინდა ჰიპოთეზურია და შეიძლება ჩამოყალიბდა რეგიონალური გრავიტაციული დარღვევების შედეგად, დიდი აფეთქების შემდეგ.
• ​ვარსკვლავური მასის შავი ხვრელები:ადრე აღვნიშნეთ, რომ მათ აქვთ მასები დაახლოებით 4 – დან 15 მზის მასას შორის და წარმოიქმნება საშუალოზე დიდი ზომის ვარსკვლავის „ტრადიციული“ დაშლის სიცოცხლის ბოლოში.
• ​შუალედური მასის შავი ხვრელები:2019 წლისთვის დაუდასტურებელი, ეს შავი ხვრელები - მზეზე რამდენჯერმე მასიური - შეიძლება არსებობდეს ზოგიერთ ვარსკვლავურ მტევანში, ასევე მოგვიანებით შეიძლება გაიზარდოს სუპერ მასიურ შავ ხვრელებად.
• ​სუპერმასიური შავი ხვრელები:ადრე ასევე აღვნიშნეთ, რომ ისინი თავს იწონებენ მილიონიდან მილიარდ მზის მასამდე და გვხვდება დიდი გალაქტიკების ცენტრებში.

ალტერნატიულ სქემაში შავი ხვრელების კატეგორიზაცია ხდება მათი ბრუნვისა და მუხტის მიხედვით:

• ​შვარცჩილდის შავი ხვრელი:ასევე ცნობილია როგორც ასტატიკური შავი ხვრელი, ამ ტიპის შავი ხვრელი არ ბრუნავს და არ აქვს ელექტრო მუხტი. ამიტომ მას ახასიათებს მხოლოდ მისი მასა.
• ​კერის შავი ხვრელი:ეს არის მბრუნავი შავი ხვრელი, მაგრამ ისევე როგორც შვარცშილდის შავი ხვრელი, მას არ გააჩნია ელექტრული მუხტი.
• ​დამუხტული შავი ხვრელი:ესენი ორი სახისაა. ბრალდებული,არ მბრუნავიშავი ხვრელი ცნობილია, როგორც არეიზნერ-ნორდსტრომის შავი ხვრელიბრალდებით,მბრუნავიშავ ხვრელს ეწოდება აკერ-ნიუმანის შავი ხვრელი​.

მართალი იქნებოდით, რომ დაინტერესებულიყავით, როგორ გამოიტანეს მეცნიერებმა იმდენი დარწმუნებული დასკვნა ობიექტებზე, რომელთა განმარტებით, მათი ვიზუალიზაცია შეუძლებელია. შავი ხვრელების შესახებ დიდი ცოდნა გამოიკვეთა შედარებით ახლომდებარე საგნების ქცევისა და გარეგნობის გამო. როდესაც შავი ხვრელი და ვარსკვლავი საკმარისად ახლოსაა ერთმანეთთან, წარმოიქმნება სპეციალური სახის მაღალი ენერგიის ელექტრომაგნიტური გამოსხივება და შეუძლია გააფრთხილოს ასტრონომები.

დიდი გაზის გამანადგურებლები ზოგჯერ ჩანს, რომ გამოდიან შავი ხვრელის "ბოლოებიდან"; ზოგჯერ, ეს გაზი შეიძლება გაერთიანდეს ბუნდოვნად ცირკულარულ ფორმაში, რომელიც ცნობილია როგორცაკრეზიის დისკი. შემდგომში თეორიულია, რომ შავი ხვრელები გამოყოფენ რადიაციის ერთგვარ სახეს,შავი ხვრელის გამოსხივება(ანჰოკინგის გამოსხივება). ეს გამოსხივება შეიძლება შავ ხვრელს გაექცეს "მატერია-ანტიმასალის" წყვილების წარმოქმნის გამო (მაგალითად,ელექტრონებიდაპოზიტრონები) მოვლენათა ჰორიზონტის მიღმა და ამ წყვილების მხოლოდ დადებითი წევრების შემდგომი ემისია, როგორც თერმული გამოსხივება.

დაწყებამდეჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპი1990 წელს ასტრონომები დიდხანს აკვირდებოდნენ მათ მიერ დასახელებულ ძალიან შორეულ ობიექტებსკვაზარები, "კვაზივარსკვლავიანი ობიექტების" შეკუმშვა. სუპერმასიური შავი ხვრელების მსგავსად, რომლის არსებობაც იყო მოგვიანებით აღმოაჩინეს, ეს სწრაფად მორევი მაღალენერგეტიკული ობიექტები გვხვდება მსხვილ ცენტრებში გალაქტიკები. ახლა შავი ხვრელები განიხილება, როგორც კვანზების ქცევის მამოძრავებელი პირები, რომლებიც მხოლოდ უზარმაზარ მანძილებზე გვხვდება, რადგან ისინი არსებობდნენ კოსმოსის შედარებით ახალშობილობაში; მათი სინათლე ახლახან დედამიწამდე მიდის დაახლოებით 13 მილიარდი წლის ტრანზიტის შემდეგ.

ზოგი ასტროფიზიკოსი გვთავაზობს, რომ გალაქტიკები, რომლებიც დედამიწიდან მათი გადახედვისას სხვადასხვა ძირითადი ტიპისაა, სინამდვილეში შეიძლება ერთი და იგივე ტიპის იყოს, მაგრამ მათი სხვადასხვა მხარეები დედამიწისკენ არის წარმოდგენილი. ზოგჯერ, კვაზარის ენერგია ჩანს და ერთგვარ ”შუქურას” ეფექტს იძლევა, თუ როგორ ხდება დედამიწა ინსტრუმენტები აღრიცხავს კვაზარის აქტივობას, ხოლო სხვა დროს გალაქტიკები უფრო "მშვიდი" ჩანს ორიენტაცია.