Қара құрдымдар туралы қызықты мәліметтер

Ғалам сондай құрылымда, адам оның сырларына терең үңілген сайын, алынған әрбір жауаптың орнында жаңа сұрақтар туындайды. Қазіргі ғылым ашқан барлық нысандардың арасында қара құрдымдар ерекше орын алады – олар танымалы мен танылмаудың шекарасында орналасады, мұнда физиканың таныс заңдары өзінің ролін тоқтатады. Бұл нысандар бір мезетте жақсы тексерілген салыстырмалылық теориясының нәтижесі де, қазіргі физиканың екі басты тіреуі – жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механика – арасындағы ең терең шешілмеген қайшылықтардың көзі де болып табылады. Қара құрдымдар ғалымдардың ғана емес, кең аудиторияның да қиялын баурайды – олар фильмдердің, кітаптардың және санасыз ғылыми-танымал пікірталастардың кейіпкерлеріне айналды, бірақ сонымен бірге табиғаттың ең аз зерттелген құбылыстарының бірі болып қала береді. Осы мақалада біз сіздер үшін қара құрдымдар туралы 32 қызықты әрі танымды мәлімет жинадық.

1. Қара құрдым – тартылыс күші соншалықты зор кеңістік-уақыт аймағы, онда зат та, сәуле де, соның ішінде жарық та одан шыға алмайды. Бұл аймақтың шекарасы оқиғалар горизонты деп аталады – одан арғы жақта не болып жатқаны туралы ақпарат сыртқы бақылаушыдан мәңгіге үзіледі.
2. Жарықтың шыға алмайтындай қуатты тартылысы бар нысан туралы ұғымды алғаш рет ағылшын ғалымы Джон Мичелл 1783 жылы тұжырымдады. Алайда мұндай нысандардың математикалық тұрғыдан қатаң сипаттамасы тек 1916 жылы Карл Шварцшильд Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы теңдеулерінің алғашқы дәл шешімін тапқанда пайда болды.
3. «Қара құрдым» терминін кең айналымға американдық физик Джон Уилер 1967 жылы енгізді. Бұған дейін мұндай нысандарды «тоңазыған жұлдыздар» немесе «коллапсарлар» деп атады – дәл, бірақ анағұрлым аз бейнелі атаулар.
4. Қара құрдымдар массасы бойынша бірнеше түрге бөлінеді. Жұлдыздық түрлері массивті жұлдыздардың коллапсы кезінде пайда болып, бірнешеден бірнеше ондаған күн массасына дейін болады. Галактикалардың орталықтарында орналасқан өте массивті құрдымдар миллиондаған және миллиардтаған күн массасын қамтиды, ал аралық және бастапқы түрлері белсенді зерттеу нысаны болып қала береді.
5. Біздің Сүт жолы галактикамыздың орталығында Мерген А* деп аталатын өте массивті қара құрдым орналасқан. Оның массасы шамамен төрт миллион күн массасын құрайды, ал Жерден оған дейінгі қашықтық шамамен жиырма алты мың жарық жылды құрайды.
6. Тарихтағы қара құрдымның алғашқы бейнесі 2019 жылдың сәуірінде «Оқиғалар горизонты телескопы» жобасының командасы тарапынан алынды. Суретте M87 галактикасының орталығындағы өте массивті қара құрдым – шамамен алты жарым миллиард күн массасы бар, қызып кеткен газдың жарқын сақинасымен қоршалған нысан – бейнеленген.
7. 2022 жылдың мамырында сол команда Мерген А* – біздің өз галактикамыздың орталығындағы қара құрдым – туралы алғашқы суретті жариялады. Оны M87-нің суретінен алу анағұрлым қиын болып шықты, себебі галактикамыздың орталығының маңындағы газ өте тез өзгеріп тұрады.
8. Оқиғалар горизонты физикалық бет емес – бұл себеп-салдарлық байланыстардың шекарасы. Оны кесіп өткен дене бұл кезде ешқандай лезде жойқын ықпал сезбейді – жойылу кейінірек, сингулярлыққа жақындаған сайын болады.
9. Сингулярлық – қара құрдымның орталығындағы нүкте, онда заттың тығыздығы мен кеңістік-уақыттың қисықтығы теориялық тұрғыдан шексіз болады. Физиктер мұндай шексіздік табиғаттың нақты қасиетін емес, қазіргі теориялардың қолданылу шегін көрсетеді деп сенімді.
10. Қара құрдымның жанындағы толқындық күштер түсетін денелерді жіңішке жіпке созады – ғалымдар бұл үдерісті поэтикалық түрде «спагеттификация» деп атады. Бұл қаншалықты тез болатыны нысанның мөлшеріне байланысты: өте массивті құрдымның жанында адам оқиғалар горизонтын жойылуды сезінбей кесіп өте алар еді – ал шағын жұлдыздық құрдымда ол бұдан бұрын жыртылып кетер еді.
11. Оқиғалар горизонтының жанында уақыт алыстағы бақылаушы тұрғысынан баяулайды – бұл жалпы салыстырмалылық теориясының тікелей нәтижесі. Қара құрдымға түсіп жатқан нысан сыртқы тұрғыдан горизонт жанында барған сайын баяулап, оны ресми түрде ешқашан кесіп өтпегендей болып көрінеді – бірақ түсіп жатқанның өзі оны шектеулі меншікті уақытта кесіп өтеді.
12. Қара құрдымдар айналасындағы барлық нәрсені шаңсорғыш сияқты сора бермейді – бұл кең тараған қате түсінік. Қашықтықта олар сол массадағы кез келген басқа дене сияқты нысандарды тартады, және Күн кенеттен қара құрдымға айналса, планеталардың орбиталары өзгеріссіз қалар еді.
13. Стивен Хокинг 1974 жылы теориялық тұрғыдан қара құрдымдардың сәуле шығаруы тиіс екенін дәлелдеді. Бұл кванттық әсер «Хокинг сәулеленуі» деп аталып, құрдымдардың баяу масса жоғалтып, ақыр соңында толығымен буланатынын білдіреді – дегенмен типтік жұлдыздық құрдым үшін бұл үдеріс Ғаламның қазіргі жасымен салыстыруға болмайтындай ұзақ уақытты алар еді.
14. Хокинг сәулеленуі физиканың ең өткір шешілмеген мәселелерінің бірін – «ақпарат парадоксын» – тудырады. Егер құрдым толығымен буланса, оған түскен барлық нәрсе туралы ақпарат қайда кетеді? Кванттық механика ақпараттың жойылмайтынын айтады, ал құрдымның булануы, барлық белгіге қарағанда, оны жояды.
15. Қара құрдымдар соқтыға алып, бірігіп, сонда кеңістік-уақыт тінінде – гравитациялық толқындар – толқындар тудыруы мүмкін. 2015 жылдың қыркүйегінде LIGO детекторы бір миллиард жылдан астам бұрын болған екі қара құрдымның бірігуінен шыққан мұндай толқындарды алғаш рет тіркеді – бұл оқиға XXI ғасырдың ең ұлы ғылыми жаңалықтарының біріне айналды.
16. Айналатын қара құрдымдар – Керр құрдымдары деп аталатындар – эргосфераны қамтитын ерекше құрылымға ие. Бұл оқиғалар горизонтынан тыс аймақ, онда кеңістік-уақыт нысанның айналуымен сондай күшті ілесіп кетеді, ешнәрсе қозғалыссыз қала алмайды – теориялық тұрғыдан эргосферадан энергия алуға болады.
17. Пенроуз үдерісі айналатын қара құрдымнан теориялық тұрғыдан энергия алуға мүмкіндік береді. Эргосфераға кіріп, екі бөлікке бөлінген дене олардың бірін бастапқыдан асатын энергиямен лақтыра алады – дәл осы құрдымның өз айналуының азаюы есебінен.
18. Квазарлар – Ғаламдағы ең жарқын нысандардың бірі – өте массивті қара құрдымдардың энергиясымен қоректенеді. Құрдымға түсіп жатқан зат аккрециялық диск жасап, ол орасан жоғары температураға дейін қызып, кейде бүкіл галактиканың жұлдыздарының жалпы жарығынан жүздеген есе асатын энергия шығарады.
19. Кейбір белсенді қара құрдымдар аккреция дискісінің жазықтығына перпендикуляр бағытта зат ағындарын – джеттерді – шығарады. Бұл ағындар миллиондаған жарық жылдарға созылып, қоршаған галактика аймақтарындағы жұлдыз қалыптасуына айтарлықтай ықпал ете алады.
20. Жұлдыздық қара құрдымдар массасы күнікінен шамамен жиырма және одан да көп есе асатын жұлдыздардың өмірінің соңында пайда болады. Ядролық отын таусылғаннан кейін жұлдыз суперновая ретінде жарылады, ал оның ядросы масса жеткілікті болса, қара құрдымға коллапсталады.
21. Барлық массивті жұлдыз қара құрдым жасай бермейді. Кіші бастапқы массаларда ядро нейтрондық жұлдызға коллапсталады – керемет тығыздықтағы, бірақ бетін сақтаған және оқиғалар горизонты жоқ нысанға.
22. Қара құрдымды тікелей байқау мүмкін емес – ол кәдімгі телескоптарға көрінетін өзіндік сәуле шықпайды. Астрономдар оларды жанама түрде анықтайды: іргелес жұлдыздар мен газға ықпалы бойынша, аккреция дискілерінің рентген сәулеленуі бойынша және гравитациялық толқындар бойынша.
23. Қара құрдым жұлдыз серігінен зат сора алатын екілік жүйелер қуатты рентген сәулелену көздері болып табылады. Дәл осылай бірінші сенімді расталған қара құрдым – 1964 жылы ашылған Аққу Х-1 – ашылды.
24. Белгілі қара құрдымдардың ең ауырының – TON 618-нің – массасы шамамен алпыс алты миллиард күн массасын құрайды. Бұл нысан Жерден шамамен он миллиард жарық жыл қашықтықтағы алыс галактиканың орталығында орналасқан.
25. Теориялық тұрғыдан Үлкен жарылыстан кейін ерте Ғаламның тығыздық бірқалыпсыздықтарынан пайда болған бастапқы қара құрдымдар болуы мүмкін. Олардың болуы байқаулар арқылы әлі расталмаған, алайда физиктердің бір бөлігі оларды қараңғы материяның кандидаттары ретінде қарастырады.
26. Оқиғалар горизонтының жанында кванттық әсерлер бөлшек–антибөлшек жұптарын тудырады. Олардың бірі ішке түсе алады, ал екіншісі ұшып кетеді – хокингтік булану механизмінің жеңілдетілген сипаттамасы дәл осы.
27. Қара құрдымдар олар орналасқан бүкіл галактикаға ықпал ете алады. Өте массивті құрдымның массасы мен галактиканың орталық буылдырығының массасы арасында байқаулар арқылы расталған байланыс бар – бұл құрдым мен оның галактикасының дамуы өзара шарттасқанының куәсі.
28. Орталық қалыңдатылуы бар іс жүзінде барлық ірі галактикаларда өте массивті қара құрдымдар табылды. Бұл астрономдар алдына олардың қалыптасу механизмі туралы мәселе қояды – олар бастапқы болды ма, жоқ па, бірігу мен жұтылулар арқылы жұлдыздық құрдымдардан біртіндеп өсті ме?
29. Оқиғалар горизонтының ішіндегі кеңістік теория арқылы сипатталады, бірақ сырттан байқау үшін физикалық тұрғыдан қолжетімсіз. Роджер Пенроуз ұсынған «ғарыштық цензура» принципі сингулярлықтар әрқашан горизонтпен жабылып, сыртқы бақылаушыға ешқашан ашылмайды деп мәлімдейді – бірақ бұл ережеден математикалық ерекшеліктер бар.
30. Гравитациялық линзалау қара құрдымның артындағы нысандарды байқауға мүмкіндік береді. Оның тартылысы жарық сәулелерін қисайтып, тән доғалар мен сақиналар – «Эйнштейн сақиналары» деп аталатындар – жасайды, бұл өзі осы қараңғы нысандарды зерттеу құралы болып табылады.
31. 2014 жылғы «Интерстеллар» фильмі қара құрдымның ең ғылыми тұрғыдан дәл көркемдік бейнелерінің бірін қамтиды. Фильмге кеңес берген астрофизик Кип Торн команда мүшелерімен бірге айналатын құрдымдардың сыртқы бейнесіне арналған жарияланған ғылыми мақалалардың негізіне айналған симуляция жасады.
32. Қара құрдымдарды зерттеу бұрын-соңды болмаған қарқынмен жылжып келеді: гравитациялық детекторлар желісі жаңа бірігулерді үнемі тіркеп, ал «Оқиғалар горизонты телескопы» жобасы жоғары ажыратымдылықтағы суреттер жасауды жоспарлайды. Әрбір жаңа байқау теорияның болжамдарын тексеріп, бір мезетте түсіндіруді қажет ететін жаңа қайшылықтарды ашады.

Қара құрдымдар адамзат білімінің теориялардың фундаментальды толымсыздығының қабырғасына тіреліп тұратын табиғат құбылыстарының аздаған бірі болып қала береді. Осы нысандармен байланысты парадокстарды шешу, ықтимал, кванттық механика да, жалпы салыстырмалылық теориясы да шегінен шығатын жаңа физиканы талап ететін шығар. Қара құрдымдарды зерттеу – ғылымның алдыңғы шебінде болумен тең, ол жерде әрбір жауап жай ғана жаңа сұрақ емес, беймәлімдіктің тұтас горизонтын ашады.