Kas atrodas Visuma melnajos caurumos?
Vispārējā relativitātes teorijā (VRT) apgalvo, ka aiz notikumu horizonta ir singularitāte, kas nozīmē, ka telpa un laiks ir saspiesti. Formāli singularitāte ir punkts, kurā blīvums ir bezgalīgs, un mums zināmie fizikas likumi tur nedarbojas. Zinātnieki tomēr neizslēdz arī citas iespējas.
Stīvens Hokings neizslēdza iespēju, ka melnie caurumi varētu būt portāli uz citiem Visumiem. Bet kā var zināt, kas tajos atrodas, ja nevaram tur nokļūt? Atbildi uz šo jautājumu var sniegt gravitācijas viļņi un datorsimulācijas.
Kas ir singularitāte un “neatgriešanās punkts”?
2015. gadā zinātnieki no laboratorijām LARGO un VIRGO ziņoja par gravitācijas viļņu noteikšanu divu melno caurumu sadursmē. Līdz tam brīdim melnie caurumi tika uzskatīti par hipotētiskiem objektiem, un pat Einšteins neticēja spējai pierādīt to esamību (to pašu var teikt par gravitācijas viļņiem). Taču ir 2023. gads, un cilvēcei “kabatā” ir ne tikai gravitācijas viļņi, bet arī divu melno caurumu notikumu horizonta attēli.
Melnie caurumi ir objekti laiktelpā, kuru gravitācijas spēks ir tik liels, ka visa tajos absorbētā matērija pazūd uz visiem laikiem. Mēs par to zinām, pateicoties notikumu horizontam – šo kosmosa briesmoņu gaismas gredzenam. Kad matērija šķērso tā saukto neatgriešanās punktu, tā uz visiem laikiem kļūst par melno caurumu gūstekni.
Melnā cauruma ārējo apli sauc par notikumu horizontu, un kosmosa briesmoņa centrā ir singularitāte.
Atsvaidzinājuši atmiņu par pēdējo gadu atklājumiem, neaizmirsīsim par singularitāti – melnā cauruma centrālo reģionu, kas atrodas aiz notikumu horizonta. Tiek uzskatīts, ka šajā vietā ir koncentrēta bezgalīga blīvuma melnā cauruma masa, bet kas tieši tur notiek, nav zināms.
Melnie caurumi un datoru modeļi
Bet atgriezīsimies pie gravitācijas viļņiem – “viļņojumiem” telpā-laikā, kas kā viļņi izplatās kosmisku katastrofu – neitronu zvaigžņu vai melno caurumu sadursmju rezultātā: jo lielāka ir objektu masa un ātrums, jo lielākas gravitācijas svārstības viļņi.
Gravitācijas viļņu noteikšana vēlreiz apstiprināja Einšteina vispārējo relativitāti, un kopš tā laika gadu gaitā ir atklāti aptuveni 100 saplūstoši melnie caurumi. Tagad, pateicoties Kolumbijas universitātes profesora Lama Hui vadītās 14 zinātnieku komandas darbam, kosmisko katastrofu simulācijas paver ceļu dziļākai izpratnei par melno caurumu struktūru sadursmju laikā.
Rakstā, kas publicēts žurnālā Physical Review Letters, komanda apraksta sarežģītu veidu, kā modelēt gravitācijas viļņu izstarotu signālu, modelī iekļaujot nelineāru mijiedarbību. Iepriekš gravitācijas viļņu modeļi ietvēra tikai lineāru mijiedarbību, kas darbojas labi, bet neņem vērā novērojamo kosmosa objektu dažādās uzvedības. Jaunais pētījums uzlabo modeļus par 10% (kas ir daudz).
“Šis ir liels solis, gatavojoties nākamajam solim gravitācijas viļņu noteikšanā un kosmosa tālākajos nostūros novēroto parādību izpratnē”, raksta zinātniskā darba autori.
Gravitācijas viļņu aprakstīšanas modeļu nelinearitāti var salīdzināt ar viļņiem okeānā: mierīgi augošus un krītošus apraksta ar lineāriem vienādojumiem, bet lielos un lūstošos ar nelineāriem vienādojumiem. Pēdējie demonstrē ūdens kustību vilnī, ieskaitot ūdens pilienus, kas atrodas gaisā.
Tādu masīvu objekti, kā neitronu zvaigžņu un melno caurumu sadursme rada gravitācijas viļņus, kas satricina laika telpu
Jaunā metode sniedz arī norādes par to, kas notiek melno caurumu iekšienē, aprakstot gravitāciju ekstremālos astrofiziskos apstākļos. “Mēģinot nokļūt līdz patiesībai, mēs kā detektīvi vērojam telpas-laika viļņus. Un tas ir labākais veids, kā uzzināt pēc iespējas vairāk par viņu noslēpumaino dabu, ”sacīja viens no 14 zinātniskā darba autoriem.
Melnā cauruma simulācija
Martā LIGO observatorija atsāks darbu pēc slēgšanas 2020. gadā Covid-19 pandēmijas dēļ. Paredzams, ka turpmākajos gados vairāki lieli gravitācijas viļņu detektori apkopos datus, un labāki datoru modeļi varētu radīt jaunus atklājumus.
Process, kurā zvaigzni “norij” melnais caurums
Uzlaboti datormodeļi ļauj novērtēt melno caurumu un to satura telpas-laika struktūru, jo tie “klausās” skaņas, kas nāk no šo kosmosa monstru sadursmes un saplūšanas. Paredzams, ka nākotnē šie modeļi palīdzēs kartēt melno caurumu iekšējo struktūru un to, kas notiek ar tur iesprostoto vielu.
Nelineāru mijiedarbību var pielīdzināt kastes kratīšanai un skaņas radīšanai, kas ļauj uzzināt par tās saturu. Šajā gadījumā kratīšana ir divu melno caurumu sadursme, un skaņa ir procesā izstarotie gravitācijas viļņi. Eksperti sagaida, ka rezultāts ļaus atklāt vēl vairāk kosmisku katastrofu visattālākajos Visuma nostūros.
Modelējot izmanto jaunas metodes, lai analizētu viļņus, ko sadursmes laikā izstaro melnie caurumi
Tālākais darbs pie datormodeļu uzlabošanas ir liels solis, gatavojoties nākamajam gravitācijas viļņu noteikšanas posmam un svarīgākā (un noslēpumainā) dabas spēka – gravitācijas un tā uzvedības bezgalīgā Visuma plašumos pētīšanai. Taču datormodelēšana ir tikai neliela daļa no šī kolosālā darba.
Kā izskaidrot singularitāti?
Melno caurumu satura noslēpuma izgaismošana var būt tumšā enerģija – spēks, kura ietekmē Visums izplešas ar arvien lielāku ātrumu (kas uz sekundi ir pretrunā ar vispārējo relativitāti). Melno caurumu struktūras izpratnes atslēga ir saistīta ar tumšo enerģiju, liecina jaunu pētījumu rezultāti, kuros zinātnieki izmērīja melno caurumu masu milzīgā eliptiskā galaktikā.
Zvaigžņu veidošanās šādās galaktikās parasti apstājas, un katastrofāli trūkst “būvmateriālu”. Tas nozīmē, ka melnajiem caurumiem šādu galaktiku centrā nav ko absorbēt, kas nozīmē, ka šie objekti nevar iegūt masu, skaidro eksperti.
Melnā cauruma centrā ir singularitāte. Augšējais un apakšējais punkts ir notikumu horizonts, kas absorbē visu apkārtējo un neizlaiž vielu ārpus melnā cauruma
Supermasīvie melnie caurumi turpināja augt tālās eliptiskās galaktikās bez zvaigžņu veidošanās, kā liecina uzreiz divu Havaju universitātes fiziķu pētījumu rezultāti, kas publicēti izdevumos Astrophysical Journal un Astrophysical Journal Letters. Turklāt šie noslēpumainie objekti kļuva masīvāki aptuveni tādā pašā ātrumā, kā Visums paplašinās. “Tas liecina, ka melnajiem caurumiem var būt nozīme tumšās enerģijas radīšanā,” teikts rakstā.
Mūsu pašreizējā izpratnē melnā cauruma centrs ir punkts, kurā zināmie fizikas likumi zūd pārmērīga gravitācijas spēka dēļ. Šajā gadījumā singularitāte ir matemātiski neiespējama.
Daži fiziķi uzskata, ka melnie caurumi ir noslēpumainās tumšās enerģijas avots, kas ir atbildīgs par Visuma paplašināšanos
Daudzi fiziķi ir arī spekulējuši, ka singularitātes vietā melnā cauruma centrā var būt tā sauktā vakuuma enerģija, kas ir viens no iespējamiem noslēpumainās tumšās enerģijas veidiem. Un tomēr nav iespējams apgalvot, ka fiziķi ir atrisinājuši tumšās enerģijas noslēpumu un zina, kas atrodas melno caurumu iekšpusē. Tomēr uzlabotu datoru modeļu izmantošana kopā ar turpmākiem novērojumiem un datu vākšanu atbildēs uz daudziem fundamentāliem jautājumiem par pasauli un Visumu, kurā mēs dzīvojam.
Kas, jūsuprāt, atrodas melnajos caurumos? Vai tie varētu būt portāli uz citām pasaulēm, vai arī tie ir noslēpumainas tumšās enerģijas avots?
