Global Lithuanian Net:    san-taka station:

Apnuoginti singuliarumai  
 

Fizikai ilgai svarstė, ar egzistuoja juodosios skylės. Ar tikrai jos egzistuoja?

Šiuolaikinis mokslas pateikė daugybę keistų idėjų, iš kurių viena keisčiausių yra masyvių žvaigždžių likimas. Tokios žvaigždės kaip mūsų Saulė, išeikvoję savo kurą, negali atlaikyti savo pačių masės ir pradeda trauktis,

Apsirengusi ar nuoga?

Kai kurie teoriniai modeliai laiko, kad masyvios žvaigždės gali virsti apnuogintais singuliarumais. Jų atradimas galėtų pakeisti vieningos fizikos teorijos paieškas. Apnuogintus singuliarumus galima aptikti keliais būdais: a) aukštų energijų sprogimai paryškėja ir išblėsta; b) gama spindulių šuorai; c) jie gali lenkti už jų esančių žvaigždžių šviesą skirtingai nei tai daro juodosios skylės; d) jei įtariama juodoji skylė sukasi greičiau nei tam tikras dydis, tai turėtų būti apnuogintas singuliarumas.
 

tačiau pagaliau stabilizuojasi kaip baltosios nykštukės. Įprastinė nuostata yra, kad masyvių žvaigždžių susitraukimo jau niekas negali sustabdyti ir jos galiausiai, susitraukę vos ne iki taško, virsta „juodosiomis skylėmis". Jose gravitacija yra tokia milžiniška, kad niekas, net šviesa, negali iš jos ištrūkti. Juodąją skylę sudaro dvi dalys. Jos branduolys yra singuliarumas, į kurį susitraukė visa žvaigždės materija. Aplink jį yra sritis, iš kurios neištrūksta niekas – jos perimetras vadinamas horizontu.

Tačiau ar taip yra tikrai? Pagal fizikos dėsnius singuliarumai susidaro, tačiau jie neaiškūs dėl horizonto. Ir kas atsitinka su ta be gal tankia materija singuliarume? Priimta manyti, kad mums to nepavyks sužinoti būtent dėl horizonto. Ten gali vykti bet kokie mums nepažinūs procesai, nes jie neturi poveikio išoriniam pasauliui. Taigi, kas vyksta juodojoje skylėje ir lieka juoda dėme. O išorėje galime ir toliau remtis žinomais dėsniais.

Tačiau tyrinėjimai vergia atsisakyti tokio požiūrio. Buvo nustatyta daugelis galimų žvaigždžių susitraukimo scenarijų, kurių metu ne visada susidaro horizontas, - tad singuliarumus galima būtų stebėti. Fizikai tokius vadina „apnuogintais singuliarumais" (atseit, juodosios skylės „aprengtos" horizontu). Materija ir spinduliavimas gali tiek sukristi, tiek išsiveržti. Tad prie apnuoginto singuliarumo būtų galima prisiartinti (ir po to papasakoti savo nuotykius?). O dar svarbiau, kad jie veikia išorę. Jie galėtų būti stebėtų nepaaiškinamų aukštos energijos reiškinių šaltiniais ir laboratorija erdvėlaikio reiškiniams tirti.

Naked singularity Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją singuliarumai yra neišvengiami masyvioms žvaigždėms. Tačiau ji neaptaria kvantinių efektų, kai objektai tampa mikroskopinio dydžio, ir tie efektai, kaip spėjama, ir neleidžia gravitacijai tapti iš tikro begalinei. Tačiau horizontas gali būti daugelio kilometrų skersmens, o šis mastas jau išeina už kvantinės mechanikos poveikio ribų. Tad horizontas turi vėl paklusti bendrosios reliatyvumo teorijos dėsniams.

Tačiau Einšteino gravitacijos lygtys yra nepaprastai sudėtingos ir jų sprendimui fizikams tenka daryti prielaidas, leidžiančias jas supaprastinti. 4-me dešimtm. keli mokslininkai, kaip modelį, paėmė idealiai apvalias žvaigždes, sudarytas iš vienodo tankio dujų ir nepaisė dujų slėgio. Jie nustatė, kad tokioms žvaigždėms susitraukiant, gravitacija jų paviršiuje tampa pakankamai stipria, kad sulaikytų šviesą ir materiją, - taigi, sudarytų horizontą.

Tačiau tikrosios masyvios žvaigždės yra gerokai sudėtingesni objektai. 1969 m. R. Penrose išsakė teiginį, kad ir jos virsta juodosiomis skylėmis. Tačiau 1973 m. H. J. Seifertas su komanda pašalino dujų homogeniškumo apribojimą. Jie nustatė, kad sukrentančios materijos sluoksniai gali persikloti sukurdami trumpalaikius singuliarumus, kurių nedengia horizontai. Tankiui tapus beveik begaliniam, gravitacija tokia netapdavo.

1979 m. D. M. Eardley ir L. Smarr'as žingtelėjo dar vieną žingsnelį, paimdami žvaigždžių modelį, kai šios tankiausios centre ir retėja artėjant prie krašto. Apie tokią pačią prielaidą skaičiavimuose 1984 m. paskelbė ir D. Christodoulou. Abiem atvejais žvaigždės susitraukė iki nulinio dydžio ir susiformavo singuliarumai. Tačiau tie modeliai vis tiek nekreipė dėmesį į slėgį, tad R. Newman'as parodė, kad singuliarumai vis tiek yra gravitaciškai silpni.

Tada bandyta suformuluoti teoremą, kad apnuoginti singuliarumai visada silpni. Tai nepavyko. Buvo surasti susitraukimo scenarijai, kuriuose gravitacija yra stipri – ir vis tik matomi. 1993 m. I. Dwivedi ir P. S. Joshi analizė (atveju, kai nėra dujų slėgio) tuos aspektus padarė aiškesnius. Tada A. Ori ir T. Piran'as simuliacijose atsižvelgė į dujų slėgio poveikį. Pasirodė, kad žvaigždės gali virsti apnuogintais singuliarumais. Beveik tuo pačiu metu G. Magli ir K. Nakao vadovaujamos komandos įtraukė papildomai slėgį, kurį sukelia susitraukiančios žvaigždės besisukančios dalelės. Jos irgi parodė, kad daugeliu atvejų procesas baigiasi apnuogintais singuliarumais.

Visuose šiuose tyrimuose žvaigždės buvo laikomos esančios idealaus rutulio formos. Tai nėra labai griežtas apribojimas, nes realios žvaigždės yra gana artimos jai. Ir būtent tokio tipo žvaigždės sudaro palankiausias sąlygas susidaryti horizontui. Tačiau jei netgi joms jų likimas yra ginčytinas, tai kitoms tuo labiau. A. Krolak'as ir P.S. Joshi paėmė analizei ne idealaus rutulio formos žvaigždes ir taipogi aptiko apnuogintus singuliarumus.

Visi šie tyrinėjimai leidžia spėti, kad juodoji skylė nėra vienintelis variantas. Tiesa, kai kuriose simuliacijose apnuoginti singuliarumai susidaro tik laikinai, tačiau kituose variantuose jie pastovūs. Be to ir „nuogumas" būna skirtingo laipsnio.

Naked singularity Fizikai ilgai nesiryžo pripažinti šios koncepcijos, nes ji sukelia jiems daugybę nepatogumų. Dažniausiai minimas priekaištas – kad procesai darosi visiškai nenuspėjami. Kadangi apnuogintuose singuliarumuose liaujasi veikusi bendroji reliatyvumo teorija, jie tampa magijos sritimi, kurioje mokslas bejėgis. Pavyzdžiui, negalima atmesti tikimybės, kad kažkur Visatoje esantis singuliarumas pasiųs gravitacinį pulsą, kuris ištemps Žemę iš Saulės sistemos. O jeigu laikas ir erdvė jame liaujasi būti atskirais? Tai kaip tada matuoti singuliarumo kitimą? Šių įvairių problemų sprendimas gali būti tarti, kad singuliarumas yra „kvantinė žvaigždė", pavaldi kvantinės mechanikos dėsniams. O kita galimybė – kad singuliarumų tankis iš tikro gali būti begalinis. Tada jų paaiškinti negalėtų netgi kvantinė mechanika ir beliktų juos priimti tiesiog tokius, kokie jie yra. Tai reikštų, kad erdvė ir laikas turi ribas. Ten baigiasi fizinis pasaulis.

Tačiau fizikus erzina ne tik neapibrėžtumas. Jie kelis dešimtmečius kūrė įvairius dėsnius, kurie turėtų būti pritaikomi juodosioms skylėms. Tačiau jie neišsivadavo iš paradoksų. Pvz., laikoma, kad juodoji skylė prarija ir sunaikina informaciją, kas prieštarauja pagrindiniams kvantinės mechanikos principams. Išnykus horizontui, tokios problemos irgi išnyktų (pvz., informacija neišnyktų ir kvantinė mechanika galėtų būti pritaikoma).

Įdomu, kad apnuoginti singuliarumai gali tapti „laboratorija" kvantinės gravitacijos tyrimams. Naujoms teorijoms (kaip superstygų ar „kilpinės gravitacijos") kaip oro reikia stebėjimo duomenų. Paprastai jų ieškoma ankstyvosiose Visatos egzistavimo stadijose – tačiau Didysis sprogimas buvo vienkartinis įvykis. Tuo tarpu, jei apnuoginti singuliarumai egzistuoja, tokį sprogimą galima stebėti mirštant dažnai masyviai žvaigždei.

Buvo panagrinėta ir tai, kaip žvaigždė virsta singuliarumu, atsižvelgiant į „kilpinės gravitacijos" (loop quantum gravity) efektus.. Anot šios teorijos, erdvė yra sudaryta yra nepaprastai smulkių atomų, kurie ypač pasireiškia, kai materijos tankis tampa labai didelis – atsiranda atostūmio jėga, Naked singularity neleidžianti tankiui tapti begaliniu. Simuliacija parodė, kad beveik ketvirtis žvaigždės masės buvo išmesta ir išsisklaidė. Tolimam stebėtojui tai atrodytų kaip staigus žvaigždės ryškumo padidėjimas. Sprogimą gali lydėti gama bei kosmoso spindulių ir kt. (pvz., neutrinų) pliūpsnis.

Ar gali juodoji skylė atsiverti?

Dar vienas būdas apnuogintam singuliarumui susiformuoti yra juodosios skylės panauikinimas – kad ir kaip keistai tai skambėtų. Mat bendrosios reliatyvumo teorijos lygtys rodo, kad horizontas gali egzistuoti tik tada, kai juodoji skylė nesisuka pernelyg greitai arba neturi ypač didelio elektrinio krūvio. Dauguma fizikų mano, kad juodosios skylės priešinasi labai greitam sukimuisi bei pernelyg įsielektrinti. Tačiau ne visi. Juk įsukti juodąją skylę nėra labai sunku. Materija neišvengiamai sukrenta tam tikru kampu, kuris verčia žvaigždę imti suktis sparčiau. Juodosioms skylėms papildomai įsielektrinti sunkiau, nes jos traukia skirtingo krūvio daleles ir atstumiu to paties krūvio daleles. Tačiau įmantrūs materijos sukritimai gali pakeisti šią tendenciją. Netgi pagrindinė juodosios skylės savybė – grobti iš aplink visą pasitaikančia materiją gali tapti jos išnykimo priežastimi.

Istoriniai aspektai

Bendroji reliatyvumo teorija
Bendroji reliatyvumo teorija išpranašavo juodųjų skylių galimybę, tačiau A. Einšteinas abejojo, ar jos tikrai egzistuoja.

J. R. Oppenheimer'is ir kiti įrodinėjo, kad jos turėtų egzistuoti.

S. Hawking'as ir R. Penrose įrodinėjo, kad singuliarumai faktiškai buvo neišvengiami.

R. Penrose tvirtino, kad singuliarumai turi būti „aprengti" horizontais, tačiau kiti su tuo nesutiko.

Literatūra

  1. S.L. Shapiro, S. A. Teukolsky. Black Holes, Naked Singuliarities and Cosmic Censorship// Am. Sci., vol. 79, no 4, July/ August 1991
  2. K.S. Thorne. Black Holes and Time Warps, 1994
  3. J. Earman. Bangs, Crunches, Whimpers and Shrieks, 1995
  4. L. Susskind. Black Holes and the Information Paradox// Sci. Am., Apr. 1997
  5. R. Goswami, P. S. Joshi, P. Singh. Quantum Evaporation of a Naked Singularity// Physical review letters, vol. 96, Jan 27, 2006
  6. P.S. Joshi. Gravitional Collapse and Spacetime Singularities, 2007
  7. M. Bojowald. Follow the Bouncing Universe// Sci. Am., Oct. 2008

Papildomai skaitykite:
Visatos modeliai
Didysis sprogimas
Sprogimai Visatoje
Juodųjų skylių portretas
Pasikėsinimas į multivisatas
Juodųjų skylių paradoksai
Bendroji reliatyvumo teorija
Laiko ir erdvės atskyrimas
Nepaprastai masyvios ir ryškios
Visatos pirmapradis karštis
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Didysis sprogimas ar Atšokimas
Nepaprastai suderinta Visatos sandara
Kaip sukurti laiko mašiną?
Higso bosonas: labai prasta balerina
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Kvantinė mechanika: triumfas ar ribotumas?
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
N. Teslos tyrimų metodas ir pasaulėvaizdis
Tamsioji materija ir energija
Lemtingasis Rentgeno atradimas
8 alternatyvūs energijos šaltiniai
Nepaprasti Visatos skaičiai
Mėnulis ir jo ypatybės
Saturno keisčiausias palydovas
Saulė yra dvinarė žvaigždė?
Jie degino eretikus, ar ne?
Kokia yra Visata? Sukasi?
Hadronų koliderio kūrėjas
Vieta, kur gimsta žvaigždės
Stabilios būsenos teorija
Jie buvo pirmeiviais...
Saulė ir jos dėmės
Antigravitacijos paieškos
Visatos mechanika
Lygiagrečios visatos
Nepastovios konstantos
Papildomas matavimas
Antigravitacija
Erdvės ratilai

NSO apsireiškimai ir neįprasti fenomenai Lietuvos danguje ir po juo

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

san-taka station

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life.

Review of our site in English

NSO.LT skiltis
Vartiklis