Juodosios skylės dar keistesnės, nei galite įsivaizduoti

Kuo dau­giau su­ži­no­me apie juo­dą­sias skyles, tuo la­biau jas my­li­me. Nau­jau­sias šios sri­ties at­ra­di­mas – „vi­du­ti­nio svo­rio“ juo­do­sios skylės, ga­li­ma sa­ky­ti, juo­dų­jų skylių šei­mos nau­jo­kės.

Ži­no­jo­me, kad kai ku­rios juo­do­sios skylės (JS) yra vos ke­le­tą kar­tų ma­sy­ves­nės už mū­sų Sau­lę, tuo tar­pu ki­tų ma­sės di­des­nės mi­li­jar­dus kar­tų. Bet vi­du­ti­nės ma­sės, to­kios, kaip ši, žvaigž­džių spie­čiu­je 47 Tucanae ne­se­niai at­ras­ta 2200 M☉, stul­bi­na­mai re­tos.

Tad, kas yra tos juo­do­sios skylės, šie gra­vi­ta­ci­jos ka­lė­ji­mai, už­ra­ki­nan­tys bet ką, kas per­ne­lyg pri­si­ar­ti­na, trau­kian­tys vi­sų am­žių ir už­si­ėm­im­ų žmo­nių vaiz­duo­tę?

Dailininko pavaizduota panaši į Saulę žvaigždė šalia sparčiai besisukančios supermasyvios, maždaug 100 milijonų M☉, juodosios skylės.
©ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

„Tamsiosios žvaigždės“

Dar 1783 metais, remdamasis Niutono dinamika, „tamsiosios žvaigždės“, pakankamai tankios, kad netgi šviesa negalėtų įveikti jos gravitacijos idėją iškėlė Anglijos filosofas ir matematikas Johnas Michellas.

Beveik iš karto po, kai 1915 metais Albertas Einšteinas pristatė savo Bendrąją reliatyvumo teoriją, pakeitusią Niutono Visatos aprašymą ir atskleidusią tamprų erdvės ir laiko ryšį, vokietis Karlas Schwarzschildas ir olandas Johannesas Droste nepriklausomai išvedė naujas lygtis sferinei arba taškinei masei.

Nors tuo metu šis klausimas tebuvo matematinė įdomybė, per vėlesnį ketvirtį amžiaus branduolių fizikai suvokė, kad pakankamai didelės žvaigždės nuo savo pačių masės turėtų sugniužti sukristi į save, kolapsuoti ir tapti teoriškai numatytomis juodosiomis skylėmis.

Jų egzistavimą galiausiai patvirtino astronomai, naudodami galingus teleskopus, o juodųjų skylių susidūrimo sukeltos gravitacinės bangos neseniai užfiksuotos LIGO instrumentu JAV.

Tankus objektas

Tokių objektų tankis sunkiai suvokiamas. Kad mūsų Saulė taptų JS, ji turėtų susitraukti nuo dabartinio 1 400 000 km skersmens iki mažesnio nei 6 kilometrų. Vidutinis jos tankis už „Schwarzschildo spindulio“ būtų beveik 20 milijardų tonų kubiniame centimetre.

Gravitacijos jėga artinantis prie JS dramatiškai stiprėja. Žemės trauka laikanti jūsų pėdas ant grindų, yra daugmaž tokia pati kaip ir veikianti jūsų galvą, kuri truputėlį toliau nuo planetos.

Bet šalia JS gravitacinės traukos skirtumas tarp galvos ir pėdų būtų toks didžiulis, kad būtumėte ištemptas atominiu lygmeniu. Šis proceas vadinamas spagetifikacija. 1958 metais amerikiečių fizikas Davidas Finkelsteinas buvo pirmasis, kuris suprato tikrąją JS vadinamojo „įvykių horizonto“ prigimtį. Jis aprašė šią JS gaubiančią ribą kaip idealią vienkryptę membraną.

Tai yra neapčiuopiamas paviršius, gaubiantis sferą, iš kurios nebegrįžtama. Atsidūrus šioje sferoje, JS gravitacijos trauka tampa per stipri, kad kas nors galėtų pabėgti – netgi šviesa. 1963 metais, matematikas iš Naujosios Zelandijos Roy'us Kerras pateikė realesnių, besisukančių JS, lygtis. Jose uždarose laiko kreivėse įmanomas judėjimas laiku atgal.

Nors tokie keisti BRT lygčių sprendiniai pirmą kartą pasirodė dar 1949 metais, austrų kilmės amerikiečio logiko Kurto Gödelio darbe, buvo manoma, kad tai tikriausiai tėra dar nepaaiškinti matematiniai artefaktai.

Juodosios ir baltosios skylės

1964 metais du amerikiečiai, mokslo žurnalistė Ann E. Ewing ir fizikos teoretikas Johnas Wheeleris, panaudojo terminą „juodoji skylė“. Vėliau, 1965 metais, rusų astrofizikas teoretikas Igoris Novikovas panaudojo „baltosios skylės“ terminą, aprašydamas hipotetinę juodosios skylės priešingybę. Jis spėjo, kad jei materija krenta į juodąją skylę, tai gal per baltąją skylę į mūsų visatą ji išmetama.

Ši idėja iš dalies remiasi matematine koncepcija, vadinama Einšteino-Roseno tiltu. 1916 metais austrų fiziko Ludwigo Flammo atrastą (matematiškai) ir 1935 metais A. Einšteino ir fiziko Nathano Roseno vėl pristatytą koncepciją Wheeleris vėliau pavadino „kirmgrauža“.

1962-aisiais, Wheeleris ir amerikietis fizikas Robertas Fulleras paaiškino, kodėl tokios kirmgraužos būtų nestabilios, net jei per visatą transportuotų vos vieną fotoną. Faktai ir fantazijos

Nieko keisto, kad mintis apie įskriejimą į (juodosios skylės) portalą ir atsiradimas kokioje nors kitoje visatos vietoje ir/arba laike įkvėpė nesuskaitomą daugybę mokslinės fantastikos istorijų, tarp kurių „Doctor Who“, „Stargate“, „Fringe“, „Farscape“ ir Disnėjaus „Black Hole“.

Filmuose paprasta pavaizduoti, kad veikėjai keliauja į skirtingą ar lygiagrečią mūsiškei visatą. Nors matematiškai tai atrodo pasiekiama, jokių fizinių įrodymų apie tokių visatų egzistavimą, žinoma, nėra.

Tačiau tai jokiu būdu nereiškia, kad kelionės laiku, bent jau tam tikra ribota prasme, nėra tikros. Keliaujant dideliu greičiu, ar krentant į juodąją skylę, laiko tėkmė nejudančių stebėtojų atžvilgiu sulėtėja. Aplink pasaulį greitai skraidinti laikrodžiai tai patvirtino, ir juose laikas sulėtėjo, kaip numato Einšteino Specialioji reliatyvumo teorija.

2014 metų filmas „Interstellar“ pasitelkė šį efektą, pasiųsdamas į ateitį astronautą Cooperį (vaidina Matthew McConaughey).

Nors ir skamba smagiai, frazė „juodoji skylė“ šiek tiek klaidina. Gali atrodyti, kad tai skylė erdvėlaikyje, per kurią materija iškris, o ne nukris ant neįtikėtinai tankaus objekto.

Kas iš tiesų egzistuoja už juodosios skylės įvykių horizonto, karštai tebesiginčijama. Tarp garsesnių bandymų tai paaiškinti paminėtinas stygų teorijos piešiamas „pūkuoto kamuolio“ vaizdas, arba juodųjų skylių paaiškinimai tokiose kvantų teorijose, kaip „sukinių putų tinklai“ ar „kilpinė kvantinė gravitacija“.

Vienas dalykas apie juodąsias skyles aiškus – jos dar ilgai visus intriguos ir žavės.