Juodoji skylė

Kompiuteriu atkurtas juodosios skylės vaizdas iš arti, parodant jos „gravitacinės linzės“ sukeltus vaizdo iškraipymus.

.

Juodoji skylė arba juodoji bedugnė – kosminis darinys, kurio paviršiuje 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. Objektas nebūtinai turi būti didelis: suspaudus Žemę į kelių milimetrų skersmens kamuoliuką, ji taip pat pavirstų maža juodąja skyle.

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 skylė atsiranda žvaigždės ar planetos spinduliui sumažėjus iki

$r_g = {2GM \over c^2}\,\!$,

čia c – šviesos greitis.

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

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

Pagal šią formulę randamas Saulės masės juodosios skylės „tankis“ yra maždaug lygus atomo branduolio tankiui. Tuo tarpu supermasyvios (manoma, galaktikų centruose esančios) skylės, kurios masė lygi, tarkim, 10⁹ Saulės masių, tokiu būdu apskaičiuotas „tankis“ yra 20 kg/m³ – tai gerokai mažiau už vandens tankį.

Žinomos juodosios skylės paprastai gana didelės. Šia stadija užsibaigia masyvių žvaigždžių raida, manoma jog labai didelių skylių gali būti galaktikų centruose. Skylės eksperimentiškai aptinkamos stebint įvairius spinduliavimus, kurie susidaro veikiant jos galingam gravitaciniam laukui. Manoma, jog itin didelė juodoji skylė gali būti reliatyvistinės čiurkšlės priežastis.

Priežastis, dėl kurių šviesa (taip pat ir bet kuris kitas materialus objektas) negali palikti juodosios skylės aiškina reliatyvumo teorija.

Aptikimas

Juodoji skylė tiesiogiai nematoma, nes šviesa negali jos palikti. Tačiau į ją krintančios dalelės spinduliuoja stiprų rentgeno spinduliavimą, kurį galima stebėti. Viena fizikos paslapčių yra kaip skylei pavyksta „praryti“ ją supančią medžiagą: pagal įprastinius gravitacijos dėsnius, ji tiesiog turėtų suktis orbita aplinkui, nenukrisdama žemyn. Gravitacija, net ir labai stipri, pati viena „nukritimo“ paaiškinti negali. Manoma, jog arba šiame procese dalyvauja stiprūs elektriniai bei magnetiniai laukai [1], arba, galbūt, greta juodosios skylės pasireiškia specifiniai, kasdienėje aplinkoje nestebimi fizikos dėsningumai (kūno orbita greta juodosios skylės jau nebėra elipsė).

Dydžiai

Juodosios skylės skirstomos į tris grupes: supermasyvios juodosios skylės, kurių masė lygi nuo kelių milijonų iki kelių milijardų Saulės masių, vidutinio dydžio juodosios skylės, kurių masė lygi nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių Saulės masių, ir galiausiai mažos juodosios skylės, kurių masė lygi kelioms saulės masėms.

Garavimas

Termodinamiškai juodosios skylės nėra stabilūs dariniai. Jos „garuoja“ dėl taip vadinamojo Hokingo spinduliavimo. 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 skylę, o kita išlėks. Išoriniam stebėtojui atrodys, kad juodoji skylė prarado truputį masės. Šio proceso metu skylė spinduliuoja kaip apskaičiuojamos temperatūros absoliučiai juodas kūnas.

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

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

Pavadinimo kilmė

„Juodosios skylės“ terminą 1967 m. pasiūlė fizikas Dž. Vileris skaitydamas paskaitą ir pavartodamas šį terminą vietoje iki tol siūlyto „sušąlusios žvaigždės“ termino.

Vikiteka