Vrimat e zeza me ngarkesë elektrike. Vrima e zezë në hapësirë: nga vjen? A kanë vrimat e zeza ngarkesa?

Për shkak të rritjes relativisht të fundit të interesit për krijimin e filmave shkencorë popullorë me temën e eksplorimit të hapësirës, shikuesit modernë kanë dëgjuar shumë për fenomene të tilla si singulariteti ose vrima e zezë. Megjithatë, filmat padyshim nuk zbulojnë natyrën e plotë të këtyre fenomeneve, dhe ndonjëherë edhe shtrembërojnë teoritë e ndërtuara shkencore për efekt më të madh. Për këtë arsye, kuptimi i shumë njerëzve modernë për këto dukuri është ose krejtësisht sipërfaqësor ose krejtësisht i gabuar. Një nga zgjidhjet e problemit që ka lindur është ky artikull, në të cilin do të përpiqemi të kuptojmë rezultatet ekzistuese të kërkimit dhe t'i përgjigjemi pyetjes - çfarë është një vrimë e zezë?

Në 1784, prifti dhe natyralisti anglez John Michell përmendi për herë të parë në një letër drejtuar Shoqërisë Mbretërore një trup të caktuar masiv hipotetik që ka një tërheqje gravitacionale aq të fortë sa shpejtësia e tij e dytë e ikjes do të tejkalojë shpejtësinë e dritës. Shpejtësia e dytë e ikjes është shpejtësia që do t'i duhet një objekti relativisht i vogël për të kapërcyer tërheqjen gravitacionale të një trupi qiellor dhe për të shkuar përtej orbitës së mbyllur rreth këtij trupi. Sipas llogaritjeve të tij, një trup me densitetin e Diellit dhe një rreze prej 500 rrezesh diellore do të ketë një shpejtësi të dytë kozmike në sipërfaqen e tij të barabartë me shpejtësinë e dritës. Në këtë rast, edhe drita nuk do të largohet nga sipërfaqja e një trupi të tillë, dhe për këtë arsye ky trup vetëm do të thithë dritën hyrëse dhe do të mbetet i padukshëm për vëzhguesin - një lloj njolle e zezë në sfondin e hapësirës së errët.

Sidoqoftë, koncepti i Michellit për një trup supermasiv nuk tërhoqi shumë interes deri në punën e Ajnshtajnit. Le të kujtojmë se ky i fundit e përcaktoi shpejtësinë e dritës si shpejtësinë maksimale të transferimit të informacionit. Përveç kësaj, Ajnshtajni zgjeroi teorinë e gravitetit në shpejtësi afër shpejtësisë së dritës (). Si rezultat, nuk ishte më e rëndësishme të zbatohej teoria e Njutonit në vrimat e zeza.

ekuacioni i Ajnshtajnit

Si rezultat i aplikimit të relativitetit të përgjithshëm për vrimat e zeza dhe zgjidhjes së ekuacioneve të Ajnshtajnit, u identifikuan parametrat kryesorë të një vrime të zezë, nga të cilat janë vetëm tre: masa, ngarkesa elektrike dhe momenti këndor. Vlen të përmendet kontributi i rëndësishëm i astrofizikanit indian Subramanian Chandrasekhar, i cili krijoi monografinë themelore: "Teoria matematikore e vrimave të zeza".

Kështu, zgjidhja e ekuacioneve të Ajnshtajnit paraqitet në katër opsione për katër lloje të mundshme të vrimave të zeza:

BH pa rrotullim dhe pa ngarkesë – zgjidhje Schwarzschild. Një nga përshkrimet e para të një vrime të zezë (1916) duke përdorur ekuacionet e Ajnshtajnit, por pa marrë parasysh dy nga tre parametrat e trupit. Zgjidhja e fizikanit gjerman Karl Schwarzschild lejon llogaritjen e fushës së jashtme gravitacionale të një trupi masiv sferik. E veçanta e konceptit të vrimave të zeza të shkencëtarit gjerman është prania e një horizonti ngjarjeje dhe fshehja pas tij. Schwarzschild ishte gjithashtu i pari që llogariti rrezen gravitacionale, e cila mori emrin e tij, e cila përcakton rrezen e sferës në të cilën do të vendosej horizonti i ngjarjeve për një trup me një masë të caktuar.
BH pa rrotullim me ngarkesë – Zgjidhja Reisner-Nordström. Një zgjidhje e paraqitur në 1916-1918, duke marrë parasysh ngarkesën e mundshme elektrike të një vrime të zezë. Kjo ngarkesë nuk mund të jetë arbitrarisht e madhe dhe është e kufizuar për shkak të zmbrapsjes elektrike që rezulton. Kjo e fundit duhet të kompensohet nga tërheqja gravitacionale.
BH me rrotullim dhe pa ngarkesë - Zgjidhja e Kerrit (1963). Një vrimë e zezë rrotulluese Kerr ndryshon nga ajo statike nga prania e të ashtuquajturës ergosferë (lexoni më shumë rreth kësaj dhe përbërësve të tjerë të një vrime të zezë).
BH me rrotullim dhe ngarkesë - Zgjidhja Kerr-Newman. Kjo zgjidhje është llogaritur në vitin 1965 dhe aktualisht është më e plota, pasi merr parasysh të tre parametrat e vrimës së zezë. Megjithatë, ende supozohet se në natyrë vrimat e zeza kanë një ngarkesë të parëndësishme.

Formimi i vrimës së zezë

Ekzistojnë disa teori rreth formimit dhe shfaqjes së një vrime të zezë, më e famshmja prej të cilave është se ajo lind si rezultat i kolapsit gravitacional të një ylli me masë të mjaftueshme. Një kompresim i tillë mund t'i japë fund evolucionit të yjeve me një masë më shumë se tre masa diellore. Pas përfundimit të reaksioneve termonukleare brenda yjeve të tillë, ato fillojnë të ngjeshen me shpejtësi në superdendur. Nëse presioni i gazit të një ylli neutron nuk mund të kompensojë forcat gravitacionale, domethënë, masa e yllit kapërcen të ashtuquajturën. Kufiri Oppenheimer-Volkoff, pastaj kolapsi vazhdon, duke rezultuar në ngjeshjen e lëndës në një vrimë të zezë.

Skenari i dytë që përshkruan lindjen e një vrime të zezë është ngjeshja e gazit protogalaktik, domethënë gazit ndëryjor në fazën e shndërrimit në një galaktikë ose një lloj grumbulli. Nëse nuk ka presion të brendshëm të mjaftueshëm për të kompensuar të njëjtat forca gravitacionale, mund të lindë një vrimë e zezë.

Dy skenarë të tjerë mbeten hipotetikë:

Shfaqja e një vrime të zezë si pasojë e të ashtuquajturit vrimat e zeza primordiale.
Ndodhja si rezultat i reaksioneve bërthamore që ndodhin në energji të larta. Një shembull i reagimeve të tilla janë eksperimentet në përplasësit.

Struktura dhe fizika e vrimave të zeza

Struktura e një vrime të zezë sipas Schwarzschild përfshin vetëm dy elementë që u përmendën më herët: singularitetin dhe horizontin e ngjarjeve të vrimës së zezë. Duke folur shkurtimisht për singularitetin, mund të vërehet se është e pamundur të vizatohet një vijë e drejtë përmes saj, dhe gjithashtu se shumica e teorive fizike ekzistuese nuk funksionojnë brenda saj. Kështu, fizika e singularitetit mbetet një mister për shkencëtarët sot. një vrimë e zezë është një kufi i caktuar, duke e kaluar një objekt fizik humbet mundësinë për t'u kthyer përtej kufijve të tij dhe patjetër do të "bie" në singularitetin e vrimës së zezë.

Struktura e një vrime të zezë bëhet disi më e ndërlikuar në rastin e zgjidhjes Kerr, përkatësisht në prani të rrotullimit të vrimës së zezë. Zgjidhja e Kerrit supozon se vrima ka një ergosferë. Ergosfera është një rajon i caktuar i vendosur jashtë horizontit të ngjarjeve, brenda të cilit të gjithë trupat lëvizin në drejtim të rrotullimit të vrimës së zezë. Kjo zonë nuk është ende emocionuese dhe është e mundur të largoheni nga ajo, ndryshe nga horizonti i ngjarjeve. Ergosfera është ndoshta një lloj analog i një disku grumbullues, që përfaqëson materien rrotulluese rreth trupave masivë. Nëse një vrimë e zezë statike e Schwarzschild përfaqësohet si një sferë e zezë, atëherë vrima e zezë Kerry, për shkak të pranisë së një ergosfere, ka formën e një elipsoidi të pjerrët, në formën e të cilit shpesh kemi parë vrima të zeza në vizatime, në të vjetra. filma ose video lojëra.

Sa peshon një vrimë e zezë? – Materiali më teorik mbi shfaqjen e një vrime të zezë është i disponueshëm për skenarin e shfaqjes së saj si rezultat i rënies së një ylli. Në këtë rast, masa maksimale e një ylli neutron dhe masa minimale e një vrime të zezë përcaktohen nga kufiri Oppenheimer - Volkoff, sipas të cilit kufiri i poshtëm i masës së një vrime të zezë është 2.5 - 3 masa diellore. Vrima e zezë më e rëndë që është zbuluar (në galaktikën NGC 4889) ka një masë prej 21 miliardë masash diellore. Megjithatë, nuk duhet të harrojmë për vrimat e zeza që hipotetikisht lindin si rezultat i reaksioneve bërthamore në energji të larta, siç janë ato në përplasjet. Masa e këtyre vrimave të zeza kuantike, me fjalë të tjera "vrimat e zeza të Plankut", është e rendit të madhësisë, përkatësisht 2·10−5 g.
Madhësia e vrimës së zezë. Rrezja minimale e një vrime të zezë mund të llogaritet nga masa minimale (2,5 – 3 masa diellore). Nëse rrezja gravitacionale e Diellit, domethënë zona ku do të vendosej horizonti i ngjarjeve, është rreth 2.95 km, atëherë rrezja minimale e një vrime të zezë me 3 masa diellore do të jetë rreth nëntë kilometra. Përmasa të tilla relativisht të vogla janë të vështira për t'u kuptuar kur flasim për objekte masive që tërheqin gjithçka rreth tyre. Megjithatë, për vrimat e zeza kuantike rrezja është 10 −35 m.
Dendësia mesatare e një vrime të zezë varet nga dy parametra: masa dhe rrezja. Dendësia e një vrime të zezë me një masë rreth tre masa diellore është rreth 6 10 26 kg/m³, ndërsa dendësia e ujit është 1000 kg/m³. Megjithatë, vrima të tilla të zeza të vogla nuk janë gjetur nga shkencëtarët. Shumica e vrimave të zeza të zbuluara kanë masa më të mëdha se 10 5 masa diellore. Ekziston një model interesant sipas të cilit sa më masive të jetë vrima e zezë, aq më e ulët është dendësia e saj. Në këtë rast, një ndryshim në masë me 11 rend të madhësisë sjell një ndryshim në densitet me 22 rend të madhësisë. Kështu, një vrimë e zezë me një masë prej 1·10 9 masa diellore ka një dendësi prej 18,5 kg/m³, që është një më pak se dendësia e arit. Dhe vrimat e zeza me një masë prej më shumë se 10 10 masa diellore mund të kenë një dendësi mesatare më të vogël se ajo e ajrit. Bazuar në këto llogaritje, është logjike të supozohet se formimi i një vrime të zezë nuk ndodh për shkak të ngjeshjes së materies, por si rezultat i akumulimit të një sasie të madhe lënde në një vëllim të caktuar. Në rastin e vrimave të zeza kuantike, dendësia e tyre mund të jetë rreth 10 94 kg/m³.
Temperatura e një vrime të zezë gjithashtu varet në mënyrë të kundërt nga masa e saj. Kjo temperaturë lidhet drejtpërdrejt me. Spektri i këtij rrezatimi përkon me spektrin e një trupi absolutisht të zi, domethënë një trup që thith të gjithë rrezatimin e rënë. Spektri i rrezatimit të një trupi absolutisht të zi varet vetëm nga temperatura e tij, atëherë temperatura e vrimës së zezë mund të përcaktohet nga spektri i rrezatimit Hawking. Siç u përmend më lart, ky rrezatim është më i fuqishëm sa më i vogël të jetë vrima e zezë. Në të njëjtën kohë, rrezatimi Hawking mbetet hipotetik, pasi nuk është vëzhguar ende nga astronomët. Nga kjo rezulton se nëse ekziston rrezatimi Hawking, atëherë temperatura e vrimave të zeza të vëzhguara është aq e ulët sa nuk lejon që ky rrezatim të zbulohet. Sipas llogaritjeve, edhe temperatura e një vrime me masë në rendin e masës së Diellit është paksa e vogël (1·10 -7 K ose -272°C). Temperatura e vrimave të zeza kuantike mund të arrijë rreth 10 12 K, dhe me avullimin e tyre të shpejtë (rreth 1.5 minuta), vrima të tilla të zeza mund të lëshojnë energjinë e rreth dhjetë milionë bombave atomike. Por, për fat të mirë, për të krijuar objekte të tilla hipotetike do të duhej energji 10 14 herë më e madhe se ajo e arritur sot në Përplasësin e Madh të Hadronit. Për më tepër, fenomene të tilla nuk janë vërejtur kurrë nga astronomët.

Nga se përbëhet një vrimë e zezë?

Një pyetje tjetër shqetëson si shkencëtarët ashtu edhe ata që thjesht janë të interesuar në astrofizikë - nga çfarë përbëhet një vrimë e zezë? Nuk ka një përgjigje të qartë për këtë pyetje, pasi nuk është e mundur të shikosh përtej horizontit të ngjarjeve që rrethon ndonjë vrimë të zezë. Përveç kësaj, siç u përmend më herët, modelet teorike të një vrime të zezë parashikojnë vetëm 3 nga përbërësit e saj: ergosferën, horizontin e ngjarjeve dhe singularitetin. Është logjike të supozohet se në ergosferë ka vetëm ato objekte që tërhiqen nga vrima e zezë dhe që tani rrotullohen rreth saj - lloje të ndryshme trupash kozmikë dhe gaz kozmik. Horizonti i ngjarjeve është vetëm një kufi i hollë i nënkuptuar, dikur përtej të cilit të njëjtat trupa kozmikë tërhiqen në mënyrë të pakthyeshme drejt komponentit të fundit kryesor të vrimës së zezë - singularitetit. Natyra e singularitetit nuk është studiuar sot dhe është herët të flitet për përbërjen e tij.

Sipas disa supozimeve, një vrimë e zezë mund të përbëhet nga neutrone. Nëse ndjekim skenarin e shfaqjes së një vrime të zezë si rezultat i ngjeshjes së një ylli në një yll neutron me ngjeshjen e tij të mëvonshme, atëherë me siguri pjesa kryesore e vrimës së zezë përbëhet nga neutrone, prej të cilëve është vetë ylli neutron. të përbëra. Me fjalë të thjeshta: kur një yll shembet, atomet e tij kompresohen në atë mënyrë që elektronet bashkohen me protonet, duke formuar kështu neutrone. Një reagim i ngjashëm ndodh në të vërtetë në natyrë, dhe me formimin e një neutroni, ndodh rrezatimi neutrin. Megjithatë, këto janë vetëm supozime.

Çfarë ndodh nëse bini në një vrimë të zezë?

Rënia në një vrimë të zezë astrofizike shkakton shtrirjen e trupit. Konsideroni një kozmonaut hipotetik vetëvrasës që shkon në një vrimë të zezë i veshur vetëm me një kostum hapësinor, së pari këmbët. Duke kaluar horizontin e ngjarjeve, astronauti nuk do të vërejë asnjë ndryshim, pavarësisht se ai nuk ka më mundësi të kthehet. Në një moment, astronauti do të arrijë një pikë (pak pas horizontit të ngjarjeve) në të cilën do të fillojë të ndodhë deformimi i trupit të tij. Meqenëse fusha gravitacionale e një vrime të zezë është jo uniforme dhe përfaqësohet nga një gradient force që rritet drejt qendrës, këmbët e astronautit do t'i nënshtrohen një ndikimi gravitacional dukshëm më të madh sesa, për shembull, koka. Pastaj, për shkak të gravitetit, ose më mirë të forcave të baticës, këmbët do të "bien" më shpejt. Kështu, trupi fillon të zgjatet gradualisht në gjatësi. Për të përshkruar këtë fenomen, astrofizikanët kanë dalë me një term mjaft krijues - spagetifikimi. Shtrirja e mëtejshme e trupit ndoshta do ta zbërthejë atë në atome, të cilat, herët a vonë, do të arrijnë një singularitet. Mund të merret me mend vetëm se si do të ndihet një person në këtë situatë. Vlen të përmendet se efekti i shtrirjes së një trupi është në përpjesëtim të zhdrejtë me masën e vrimës së zezë. Kjo do të thotë, nëse një vrimë e zezë me masën e tre Diejve shtrin/shqyen trupin në çast, atëherë vrima e zezë supermasive do të ketë forca baticore më të ulëta dhe ka sugjerime se disa materiale fizike mund të "tolerojnë" një deformim të tillë pa humbur strukturën e tyre.

Siç e dini, koha rrjedh më ngadalë pranë objekteve masive, që do të thotë se koha për një astronaut kamikaz do të rrjedhë shumë më ngadalë sesa për tokën. Në këtë rast, ndoshta ai do të mbijetojë jo vetëm miqtë e tij, por edhe vetë Tokën. Për të përcaktuar se sa kohë do të ngadalësohet për një astronaut, do të kërkohen llogaritjet, por nga sa më sipër mund të supozohet se astronauti do të bjerë në vrimën e zezë shumë ngadalë dhe, ndoshta, thjesht nuk do të jetojë për të parë momentin kur ai trupi fillon të deformohet.

Vlen të përmendet se për një vëzhgues nga jashtë, të gjithë trupat që fluturojnë deri në horizontin e ngjarjeve do të mbeten në skaj të këtij horizonti derisa imazhi i tyre të zhduket. Arsyeja për këtë fenomen është zhvendosja gravitacionale e kuqe. Duke e thjeshtuar disi, mund të themi se drita që bie mbi trupin e një kozmonauti vetëvrasës "të ngrirë" në horizontin e ngjarjeve do të ndryshojë frekuencën e saj për shkak të kohës së saj të ngadalësuar. Me kalimin e kohës më ngadalë, frekuenca e dritës do të ulet dhe gjatësia e valës do të rritet. Si rezultat i këtij fenomeni, në dalje, domethënë për një vëzhgues të jashtëm, drita gradualisht do të zhvendoset drejt frekuencës së ulët - e kuqe. Një zhvendosje e dritës përgjatë spektrit do të ndodhë, ndërsa kozmonauti vetëvrasës largohet gjithnjë e më shumë nga vëzhguesi, megjithëse pothuajse në mënyrë të padukshme, dhe koha e tij rrjedh gjithnjë e më ngadalë. Kështu, drita e reflektuar nga trupi i tij së shpejti do të shkojë përtej spektrit të dukshëm (imazhi do të zhduket), dhe në të ardhmen trupi i astronautit mund të zbulohet vetëm në rajonin e rrezatimit infra të kuq, më vonë në frekuencën e radios, dhe si rezultat rrezatimi do të jetë plotësisht i pakapshëm.

Pavarësisht sa më sipër, supozohet se në vrimat e zeza shumë të mëdha supermasive, forcat e baticës nuk ndryshojnë aq shumë me distancën dhe veprojnë pothuajse në mënyrë të njëtrajtshme në trupin që bie. Në këtë rast, anija kozmike në rënie do të ruante strukturën e saj. Lind një pyetje e arsyeshme: ku të çon vrima e zezë? Kësaj pyetjeje mund t'i përgjigjet puna e disa shkencëtarëve, duke lidhur dy fenomene si vrimat e krimbave dhe vrimat e zeza.

Në vitin 1935, Albert Einstein dhe Nathan Rosen parashtruan një hipotezë në lidhje me ekzistencën e të ashtuquajturave vrima krimbash, duke lidhur dy pika të hapësirës-kohë përmes vendeve të lakimit të rëndësishëm të kësaj të fundit - një urë ose vrimë krimbi Einstein-Rosen. Për një lakim kaq të fuqishëm të hapësirës, do të kërkoheshin trupa me masë gjigante, rolin e të cilëve do ta përmbushnin në mënyrë perfekte vrimat e zeza.

Ura Einstein-Rosen konsiderohet një vrimë krimbi e pakalueshme sepse është e vogël në përmasa dhe e paqëndrueshme.

Një vrimë krimbi e kalueshme është e mundur brenda kornizës së teorisë së vrimave bardh e zi. Ku vrima e bardhë është prodhimi i informacionit të bllokuar në vrimën e zezë. Vrima e bardhë përshkruhet brenda kornizës së relativitetit të përgjithshëm, por sot mbetet hipotetike dhe nuk është zbuluar. Një model tjetër i një vrime krimbi u propozua nga shkencëtarët amerikanë Kip Thorne dhe studenti i tij i diplomuar Mike Morris, i cili mund të jetë i kalueshëm. Megjithatë, si në rastin e vrimës së krimbit Morris-Thorne, ashtu edhe në rastin e vrimave bardh e zi, mundësia e udhëtimit kërkon ekzistencën e të ashtuquajturës lëndë ekzotike, e cila ka energji negative dhe gjithashtu mbetet hipotetike.

Vrimat e zeza në Univers

Ekzistenca e vrimave të zeza u konfirmua relativisht kohët e fundit (shtator 2015), por para kësaj kohe kishte tashmë shumë materiale teorike mbi natyrën e vrimave të zeza, si dhe shumë objekte kandidate për rolin e një vrime të zezë. Para së gjithash, duhet të keni parasysh madhësinë e vrimës së zezë, pasi vetë natyra e fenomenit varet prej tyre:

Vrima e zezë në masë yjore. Objekte të tilla formohen si rezultat i rënies së një ylli. Siç u përmend më herët, masa minimale e një trupi të aftë për të formuar një vrimë të tillë të zezë është 2.5 - 3 masa diellore.
Vrimat e zeza me masë të ndërmjetme. Një lloj i ndërmjetëm i kushtëzuar i vrimës së zezë që është rritur për shkak të përthithjes së objekteve të afërta, të tilla si një grumbull gazi, një yll fqinj (në sistemet e dy yjeve) dhe trupa të tjerë kozmikë.
Vrima e zezë supermasive. Objekte kompakte me masa diellore 10 5 -10 10. Vetitë dalluese të vrimave të tilla të zeza janë densiteti i tyre paradoksalisht i ulët, si dhe forcat e dobëta të baticës, të cilat u përmendën më herët. Kjo është pikërisht vrima e zezë supermasive në qendër të galaktikës sonë Rruga e Qumështit (Shigjetari A*, Sgr A*), si dhe shumica e galaktikave të tjera.

Kandidatët për ChD

Vrima e zezë më e afërt, ose më mirë një kandidat për rolin e një vrime të zezë, është një objekt (V616 Monoceros), i cili ndodhet në një distancë prej 3000 vjet dritë nga Dielli (në galaktikën tonë). Ai përbëhet nga dy përbërës: një yll me masë sa gjysma e masës së Diellit, si dhe një trup i vogël i padukshëm, masa e të cilit është 3-5 masa diellore. Nëse ky objekt rezulton të jetë një vrimë e zezë e vogël me masë yjore, atëherë me të drejtë do të bëhet vrima e zezë më e afërt.

Pas këtij objekti, vrima e dytë e zezë më e afërt është objekti Cygnus X-1 (Cyg X-1), i cili ishte kandidati i parë për rolin e një vrime të zezë. Distanca me të është afërsisht 6070 vite dritë. I studiuar mjaft mirë: ai ka një masë prej 14.8 masash diellore dhe një rreze horizonti ngjarjesh prej rreth 26 km.

Sipas disa burimeve, një tjetër kandidat më i afërt për rolin e një vrime të zezë mund të jetë një trup në sistemin yjor V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), i cili, sipas vlerësimeve në 1999, ishte vendosur në një distancë prej 1600 vite dritë. Megjithatë, studimet e mëvonshme e kanë rritur këtë distancë me të paktën 15 herë.

Sa vrima të zeza ka në galaktikën tonë?

Nuk ka përgjigje të saktë për këtë pyetje, pasi vëzhgimi i tyre është mjaft i vështirë, dhe gjatë gjithë periudhës së studimit të qiellit, shkencëtarët kanë qenë në gjendje të zbulojnë rreth një duzinë vrimash të zeza brenda Rrugës së Qumështit. Pa iu nënshtruar llogaritjeve, vërejmë se ka rreth 100-400 miliardë yje në galaktikën tonë dhe përafërsisht çdo i mijëti yll ka masë të mjaftueshme për të formuar një vrimë të zezë. Ka të ngjarë që miliona vrima të zeza mund të jenë formuar gjatë ekzistencës së Rrugës së Qumështit. Meqenëse është më e lehtë të zbulohen vrimat e zeza me përmasa të mëdha, është logjike të supozohet se ka shumë të ngjarë që shumica e vrimave të zeza në galaktikën tonë nuk janë supermasive. Vlen të përmendet se hulumtimi i NASA-s në 2005 sugjeron praninë e një tufe të tërë vrimash të zeza (10-20 mijë) që rrotullohen rreth qendrës së galaktikës. Për më tepër, në vitin 2016, astrofizikanët japonezë zbuluan një satelit masiv pranë objektit * - një vrimë e zezë, thelbi i Rrugës së Qumështit. Për shkak të rrezes së vogël (0,15 vite dritë) të këtij trupi, si dhe masës së tij të madhe (100,000 masa diellore), shkencëtarët supozojnë se ky objekt është gjithashtu një vrimë e zezë supermasive.

Bërthama e galaktikës sonë, vrima e zezë e Rrugës së Qumështit (Shigjetari A*, Sgr A* ose Shigjetari A*) është supermasive dhe ka një masë prej 4.31 10 6 masa diellore dhe një rreze prej 0.00071 vite dritë (6.25 orë dritë ose 6.75 miliardë km). Temperatura e Shigjetarit A*, së bashku me grupin rreth tij, është rreth 1·10 7 K.

Vrima e zezë më e madhe

Vrima e zezë më e madhe në Univers që shkencëtarët kanë zbuluar është një vrimë e zezë supermasive, FSRQ blazar, në qendër të galaktikës S5 0014+81, në një distancë prej 1.2 10 10 vite dritë nga Toka. Sipas rezultateve paraprake të vëzhgimit duke përdorur observatorin hapësinor Swift, masa e vrimës së zezë ishte 40 miliardë (40·10 9) masa diellore, dhe rrezja Schwarzschild e një vrime të tillë ishte 118.35 miliardë kilometra (0.013 vite dritë). Përveç kësaj, sipas llogaritjeve, ajo u ngrit 12.1 miliardë vjet më parë (1.6 miliardë vjet pas Big Bengut). Nëse kjo vrimë e zezë gjigante nuk thith materien që e rrethon, ajo do të jetojë deri në epokën e vrimave të zeza - një nga epokat e zhvillimit të Universit, gjatë së cilës vrimat e zeza do të dominojnë në të. Nëse bërthama e galaktikës S5 0014+81 vazhdon të rritet, ajo do të bëhet një nga vrimat e zeza të fundit që do të ekzistojë në Univers.

Dy vrimat e tjera të zeza të njohura, megjithëse nuk kanë emrat e tyre, kanë rëndësi më të madhe për studimin e vrimave të zeza, pasi ato konfirmuan ekzistencën e tyre në mënyrë eksperimentale dhe gjithashtu dhanë rezultate të rëndësishme për studimin e gravitetit. Po flasim për ngjarjen GW150914, që është përplasja e dy vrimave të zeza në një. Kjo ngjarje bëri të mundur regjistrimin.

Zbulimi i vrimave të zeza

Para se të shqyrtojmë metodat për zbulimin e vrimave të zeza, duhet t'i përgjigjemi pyetjes - pse një vrimë e zezë është e zezë? Përgjigja për këtë nuk kërkon njohuri të thella të astrofizikës dhe kozmologjisë. Fakti është se një vrimë e zezë thith të gjithë rrezatimin që bie mbi të dhe nuk lëshon fare, nëse nuk merrni parasysh atë hipotetik. Nëse e konsiderojmë këtë fenomen më në detaje, mund të supozojmë se proceset që çojnë në çlirimin e energjisë në formën e rrezatimit elektromagnetik nuk ndodhin brenda vrimave të zeza. Pastaj, nëse një vrimë e zezë lëshon, ajo e bën këtë në spektrin Hawking (i cili përkon me spektrin e një trupi të ndezur, absolutisht të zi). Megjithatë, siç u përmend më herët, ky rrezatim nuk u zbulua, gjë që sugjeron se temperatura e vrimave të zeza është plotësisht e ulët.

Një teori tjetër e pranuar përgjithësisht thotë se rrezatimi elektromagnetik nuk është aspak i aftë të largohet nga horizonti i ngjarjeve. Ka shumë të ngjarë që fotonet (grimcat e dritës) të mos tërhiqen nga objekte masive, pasi, sipas teorisë, ato vetë nuk kanë masë. Megjithatë, vrima e zezë ende "tërheq" fotone të dritës përmes shtrembërimit të hapësirë-kohës. Nëse e imagjinojmë një vrimë të zezë në hapësirë si një lloj depresioni në sipërfaqen e lëmuar të hapësirë-kohës, atëherë ekziston një distancë e caktuar nga qendra e vrimës së zezë, së cilës i afrohet drita nuk do të jetë më në gjendje të largohet prej saj. Kjo do të thotë, përafërsisht, drita fillon të "bie" në një "vrimë" që nuk ka as "fund".

Përveç kësaj, nëse marrim parasysh efektin e zhvendosjes së kuqe gravitacionale, është e mundur që drita në një vrimë të zezë të humbasë frekuencën e saj, duke u zhvendosur përgjatë spektrit në rajonin e rrezatimit me valë të gjata me frekuencë të ulët derisa të humbasë energjinë krejtësisht.

Pra, një vrimë e zezë është me ngjyrë të zezë dhe për këtë arsye e vështirë për t'u zbuluar në hapësirë.

Metodat e zbulimit

Le të shohim metodat që përdorin astronomët për të zbuluar një vrimë të zezë:

Përveç metodave të përmendura më lart, shkencëtarët shpesh shoqërojnë objekte të tilla si vrimat e zeza dhe. Kuazarët janë grupime të caktuara trupash dhe gazesh kozmike, të cilat janë ndër objektet më të shndritshme astronomike në Univers. Meqenëse ato kanë një intensitet të lartë ndriçimi në madhësi relativisht të vogla, ka arsye të supozohet se qendra e këtyre objekteve është një vrimë e zezë supermasive, që tërheq lëndën përreth. Për shkak të një tërheqjeje kaq të fuqishme gravitacionale, lënda e tërhequr nxehet aq shumë sa rrezaton intensivisht. Zbulimi i objekteve të tilla zakonisht krahasohet me zbulimin e një vrime të zezë. Ndonjëherë kuazarët mund të lëshojnë avionë të plazmës së nxehtë në dy drejtime - avionë relativistë. Arsyet e shfaqjes së avionëve të tillë nuk janë plotësisht të qarta, por ato ndoshta shkaktohen nga bashkëveprimi i fushave magnetike të vrimës së zezë dhe diskut të grumbullimit dhe nuk emetohen nga vrima e zezë direkte.

Jet në galaktikën M87 duke xhiruar nga qendra e vrimës së zezë

Për të përmbledhur sa më sipër, mund të imagjinohet, nga afër: ky është një objekt sferik i zi rreth të cilit rrotullohet lënda shumë e nxehtë, duke formuar një disk shtues ndriçues.

Bashkimi dhe përplasja e vrimave të zeza

Një nga fenomenet më interesante në astrofizikë është përplasja e vrimave të zeza, e cila gjithashtu bën të mundur zbulimin e trupave të tillë masivë astronomikë. Procese të tilla janë me interes jo vetëm për astrofizikanët, pasi ato rezultojnë në fenomene të studiuara dobët nga fizikanët. Shembulli më i mrekullueshëm është ngjarja e përmendur më parë e quajtur GW150914, kur dy vrima të zeza u afruan aq shumë sa, si rezultat i tërheqjes së tyre reciproke gravitacionale, ato u bashkuan në një. Një pasojë e rëndësishme e kësaj përplasjeje ishte shfaqja e valëve gravitacionale.

Sipas përkufizimit, valët gravitacionale janë ndryshime në fushën gravitacionale që përhapen në një mënyrë të ngjashme me valën nga objektet masive në lëvizje. Kur dy objekte të tilla afrohen, ato fillojnë të rrotullohen rreth një qendre të përbashkët graviteti. Ndërsa afrohen, rrotullimi i tyre rreth boshtit të tyre rritet. Lëkundje të tilla alternative të fushës gravitacionale në një moment mund të formojnë një valë të fuqishme gravitacionale, e cila mund të përhapet në hapësirë për miliona vite dritë. Kështu, në një distancë prej 1.3 miliardë vite dritë, dy vrima të zeza u përplasën, duke gjeneruar një valë të fuqishme gravitacionale që arriti në Tokë më 14 shtator 2015 dhe u regjistrua nga detektorët LIGO dhe VIRGO.

Si vdesin vrimat e zeza?

Natyrisht, që një vrimë e zezë të pushojë së ekzistuari, ajo do të duhej të humbiste të gjithë masën e saj. Megjithatë, sipas përkufizimit të saj, asgjë nuk mund të largohet nga vrima e zezë nëse ajo ka kaluar horizontin e saj të ngjarjeve. Dihet se mundësia e emetimit të grimcave nga një vrimë e zezë u përmend për herë të parë nga fizikani teorik sovjetik Vladimir Gribov, në diskutimin e tij me një shkencëtar tjetër sovjetik Yakov Zeldovich. Ai argumentoi se nga pikëpamja e mekanikës kuantike, një vrimë e zezë është e aftë të lëshojë grimca përmes efektit të tunelit. Më vonë, duke përdorur mekanikën kuantike, fizikani teorik anglez Stephen Hawking ndërtoi teorinë e tij, paksa të ndryshme. Mund të lexoni më shumë rreth këtij fenomeni. Shkurtimisht, në një vakum ndodhen të ashtuquajturat grimca virtuale, të cilat lindin vazhdimisht në çifte dhe asgjësojnë njëra-tjetrën, pa ndërvepruar me botën e jashtme. Por nëse çifte të tilla shfaqen në horizontin e ngjarjeve të një vrime të zezë, atëherë graviteti i fortë hipotetikisht është i aftë t'i ndajë ato, ku njëra grimcë bie në vrimën e zezë dhe tjetra largohet nga vrima e zezë. Dhe meqenëse një grimcë që fluturon larg një vrime mund të vërehet, dhe për këtë arsye ka energji pozitive, atëherë një grimcë që bie në një vrimë duhet të ketë energji negative. Kështu, vrima e zezë do të humbasë energjinë e saj dhe do të ndodhë një efekt, i cili quhet avullimi i vrimës së zezë.

Sipas modeleve ekzistuese të një vrime të zezë, siç u përmend më herët, ndërsa masa e saj zvogëlohet, rrezatimi i saj bëhet më intensiv. Pastaj, në fazën përfundimtare të ekzistencës së vrimës së zezë, kur ajo mund të zvogëlohet në madhësinë e një vrime të zezë kuantike, ajo do të lëshojë një sasi të madhe energjie në formën e rrezatimit, e cila mund të jetë e barabartë me mijëra apo edhe miliona atomike. bombat. Kjo ngjarje të kujton disi shpërthimin e një vrime të zezë, si e njëjta bombë. Sipas llogaritjeve, vrimat e zeza primordiale mund të kishin lindur si rezultat i Big Bengut, dhe ato prej tyre me një masë prej rreth 10 12 kg do të ishin avulluar dhe shpërthyer në kohën tonë. Sido që të jetë, shpërthime të tilla nuk janë vënë re kurrë nga astronomët.

Pavarësisht mekanizmit të propozuar nga Hawking për shkatërrimin e vrimave të zeza, vetitë e rrezatimit të Hawking shkaktojnë një paradoks brenda kornizës së mekanikës kuantike. Nëse një vrimë e zezë thith një trup të caktuar, dhe më pas humbet masën që rezulton nga përthithja e këtij trupi, atëherë pavarësisht nga natyra e trupit, vrima e zezë nuk do të ndryshojë nga ajo që ishte para se të thithte trupin. Në këtë rast, informacioni për trupin humbet përgjithmonë. Nga pikëpamja e llogaritjeve teorike, shndërrimi i gjendjes së pastër fillestare në gjendjen e përzier ("termike") që rezulton nuk korrespondon me teorinë aktuale të mekanikës kuantike. Ky paradoks nganjëherë quhet zhdukja e informacionit në një vrimë të zezë. Një zgjidhje përfundimtare për këtë paradoks nuk është gjetur kurrë. Zgjidhjet e njohura për paradoksin:

Pavlefshmëria e teorisë së Hawking. Kjo nënkupton pamundësinë e shkatërrimit të një vrime të zezë dhe rritjen e vazhdueshme të saj.
Prania e vrimave të bardha. Në këtë rast, informacioni i përthithur nuk zhduket, por thjesht hidhet në një Univers tjetër.
Mospërputhja e teorisë së pranuar përgjithësisht të mekanikës kuantike.

Problemi i pazgjidhur i fizikës së vrimës së zezë

Duke gjykuar nga gjithçka që u përshkrua më herët, vrimat e zeza, megjithëse janë studiuar për një kohë relativisht të gjatë, kanë ende shumë karakteristika, mekanizmat e të cilave janë ende të panjohur për shkencëtarët.

Në vitin 1970, një shkencëtar anglez formuloi të ashtuquajturin. "Parimi i censurës kozmike" - "Natyra e urren singularitetin e zhveshur". Kjo do të thotë se singularitetet formohen vetëm në vende të fshehura, si qendra e një vrime të zezë. Megjithatë, ky parim ende nuk është vërtetuar. Ekzistojnë gjithashtu llogaritje teorike sipas të cilave mund të lindë një singularitet "lakuriq".
Nuk është vërtetuar as “teorema pa flokë”, sipas së cilës vrimat e zeza kanë vetëm tre parametra.
Një teori e plotë e magnetosferës së vrimës së zezë nuk është zhvilluar.
Natyra dhe fizika e singularitetit gravitacional nuk janë studiuar.
Nuk dihet me siguri se çfarë ndodh në fazën përfundimtare të ekzistencës së një vrime të zezë dhe çfarë mbetet pas zbërthimit të saj kuantik.

Fakte interesante për vrimat e zeza

Duke përmbledhur sa më sipër, mund të nxjerrim në pah disa tipare interesante dhe të pazakonta të natyrës së vrimave të zeza:

BH-të kanë vetëm tre parametra: masën, ngarkesën elektrike dhe momentin këndor. Si rezultat i një numri kaq të vogël të karakteristikave të këtij trupi, teorema që pohon këtë quhet "teorema pa flokë". Nga këtu ka ardhur edhe shprehja "një vrimë e zezë nuk ka flokë", që do të thotë se dy vrima të zeza janë absolutisht identike, tre parametrat e tyre të përmendur janë të njëjtë.
Dendësia e vrimës së zezë mund të jetë më e vogël se dendësia e ajrit, dhe temperatura është afër zeros absolute. Nga kjo mund të supozojmë se formimi i një vrime të zezë nuk ndodh për shkak të ngjeshjes së materies, por si rezultat i akumulimit të një sasie të madhe lënde në një vëllim të caktuar.
Koha kalon shumë më ngadalë për trupat e zhytur nga një vrimë e zezë sesa për një vëzhgues të jashtëm. Përveç kësaj, trupat e zhytur shtrihen ndjeshëm brenda vrimës së zezë, të cilën shkencëtarët e quajnë spagetifikimi.
Mund të ketë rreth një milion vrima të zeza në galaktikën tonë.
Ndoshta ekziston një vrimë e zezë supermasive në qendër të çdo galaktike.
Në të ardhmen, sipas modelit teorik, Universi do të arrijë të ashtuquajturën epokë të vrimave të zeza, kur vrimat e zeza do të bëhen trupat dominues në Univers.

Idetë ekzistuese për vrimat e zeza bazohen në teorema të vërtetuara me anë të gjeometrisë diferenciale të manifoldeve. Rezultatet e teorisë janë paraqitur në libra dhe ne nuk do t'i përsërisim ato këtu. Duke iu referuar lexuesit për detaje monografive dhe koleksioneve, si dhe artikujve dhe rishikimeve origjinale, ne do të kufizohemi në një listë të shkurtër të dispozitave kryesore që qëndrojnë në themel të ideve moderne rreth vrimave të zeza.

Familja më e përgjithshme e zgjidhjeve të vakumit të ekuacioneve të Ajnshtajnit, që përshkruan hapësirë-kohë stacionare asimptotike të sheshta me një horizont ngjarjesh josingular dhe të rregullt kudo jashtë horizontit, ka simetri boshtore dhe përkon me familjen Kerr me dy parametra. Dy parametra të pavarur dhe një përcaktojnë masën dhe momentin rrotullues të vrimës së zezë. Teoremat që mbështesin këtë deklaratë u formuluan në letra për një vrimë të zezë jo rrotulluese dhe u përgjithësuan në metrikën Kerr në. Zgjidhjet e ekuacioneve jo-vakum të Ajnshtajnit që përshkruajnë vrimat e zeza mund të karakterizohen nga një numër i madh parametrash. Kështu, në rastin e sistemit të ekuacioneve Einstein-Maxwell, vetitë e listuara i zotëron familja e zgjidhjeve Kerr-Newman, e cila ka katër parametra ku janë ngarkesat elektrike dhe magnetike, në të vërtetohet veçantia e kësaj familjeje. Ekzistojnë zgjidhje për sistemin e ekuacioneve Einstein-Yang-Mills, të cilat përshkruajnë vrimat e zeza që mbartin ngarkesa me matës (ngjyrë), si dhe sisteme Einstein-Yang-Mills-Higgs me simetri të thyer spontanisht, të cilat përshkruajnë monopole gravituese në pikë dhe dyone të fshehura nën horizonti i ngjarjeve. Në supergravitetin e zgjatur, janë gjetur zgjidhje që përshkruajnë vrima të zeza jashtëzakonisht të ngarkuara me një strukturë fermionike. Është e rëndësishme që të gjitha zgjidhjet e listuara të njihen për fusha me masë zero; një vrimë e zezë nuk mund të ketë fushat e saj masive të jashtme.

Fusha Kerr-Newman

Duke e shtyrë diskutimin e zgjidhjeve me ngarkesa magnetike dhe matës deri në § 18, le të shqyrtojmë më në detaje zgjidhjen Kerr-Newman, e cila përshkruan një ngarkesë elektrike rrotulluese

vrimë e zezë. Në koordinatat Boyer-Lindquist, katrori i intervalit hapësirë-kohë ka formën

ku futet shënimi standard

4-potenciali (-forma) e fushës elektromagnetike, e përcaktuar nga relacioni

at nuk ndryshon nga potenciali i një ngarkese pikë në hapësirën Minkowski. Një term shtesë në përpjesëtim me a, në pafundësi hapësinore, përkon me potencialin e dipolit magnetik të sasisë Komponentët jozero të tensorit metrikë kontravariant janë të barabartë (ne numërojmë koordinatat 0, 1, 2, 3)

Për metrikën Kerr-Newman ka tridhjetë simbole Christoffel jo-zero, nga të cilat njëzet e dy janë të barabartë në çift.

ku tregohet

Simbolet e Christoffel janë funksione të diferencës dhe nuk zhduken në rrafshin ekuatorial të metrikës Kerr. Komponentët e mbetur të lidhur janë tek në lidhje me reflektimin në rrafshin ku marrin vlera zero. Kjo është e dobishme për t'u mbajtur parasysh kur zgjidhen ekuacionet e lëvizjes së grimcave.

Komponentët jozero të tensorit të fushës elektromagnetike janë të barabartë

që i përgjigjet mbivendosjes së fushës së Kulonit dhe fushës magnetike të dipolit.

Elementi linear (1) nuk varet nga koordinatat, pra nga vektorët

janë vektorë vrasës që gjenerojnë ndërrime kohore dhe rrotullime rreth boshtit të simetrisë. Vektorët vrasës dhe nuk janë ortogonalë me njëri-tjetrin

Simetria e fushës elektromagnetike në lidhje me transformimet e specifikuara nga vektorët vrasës shprehet në barazinë me zero të derivateve Lie të 4-potencialit (3) përgjatë fushave vektoriale (8),

Vektori është i ngjashëm me kohën në rajonin e kufizuar nga pabarazia

dhe bëhet izotropik në sipërfaqen e ergosferës

që është një elipsoid i revolucionit. Brenda ergosferës, vektori është hapësinor, por ekziston një kombinim linear i vektorëve vrasës

i cili është vektori i ngjashëm me vrasjen brenda ergosferës nëse pabarazia

Sipërfaqja në të cilën ato bashkohen është horizonti i ngjarjeve, pozicioni i tij përcaktohet nga rrënja e madhe e ekuacionit

ku e gjejmë ku

Sasia luan rolin e shpejtësisë këndore të rrotullimit të horizontit; në përputhje me teoremën e përgjithshme, nuk varet nga këndi

Horizonti i ngjarjeve është një hipersipërfaqe izotropike, seksioni hapësinor i së cilës ka topologjinë e një sfere. Sipërfaqja e sipërfaqes dy-dimensionale të horizontit llogaritet me formulë

çfarë çon në rezultat

Sipas teoremës së Hawking, sipërfaqja e horizontit të ngjarjeve të një vrime të zezë të zhytur në një mjedis material, tensori i energjisë-momentit të të cilit plotëson kushtet e dominimit të energjisë nuk mund të ulet. Masa dhe momenti rrotullues i një vrime mund të zvogëlohet individualisht dhe, pasi të ketë humbur plotësisht momentin e saj rrotullues, vrima e zezë do të ketë një masë jo më pak se

e cila është quajtur masa e "pareduktueshme" e vrimës së zezë. Ligji i zonës jo-zvogëluese të horizontit të ngjarjes ka një natyrë të përbashkët me ligjin e rritjes së entropisë; mund të shoqërohet me humbjen e informacionit për gjendjen e substancës që gjendet nën horizontin e ngjarjeve. Nëse vrima e zezë nuk do të kishte disa

entropia, atëherë kur thithet, le të themi, një gaz i ndezur në hapësirën e jashtme, do të ndodhte një ulje e entropisë. Thirrja e konsideratave kuantike eliminon rrezikun e kontradiktës me ligjin e dytë të termodinamikës, sepse rezulton se në gravitetin kuantik, entropia e një vrime të zezë është vërtet proporcionale me sipërfaqen e horizontit të ngjarjeve (21) në njësi të katrorit. të gjatësisë së Plankut

Kjo gjithashtu korrespondon me llogaritjet e mëparshme të efektit të krijimit të grimcave në vrimat e zeza brenda kornizës së teorisë gjysmëklasike. Entropia totale e vrimës së zezë dhe e lëndës së përthithur nuk zvogëlohet në këtë rast, pasi gjatë përthithjes rritet masa (dhe ndoshta momenti rrotullues) i vrimës së zezë, si rezultat i së cilës sipërfaqja e horizontit të ngjarjes. rritet. Duhet të theksohet se emëruesi në (23) është jashtëzakonisht i vogël, prandaj, me një ndryshim makroskopik në zonën e horizontit, entropia e vrimës së zezë ndryshon me një sasi shumë të madhe.

Në horizontin e ngjarjeve ekziston një kombinim linear konstant i përbërësve të 4-potencialit, që ka kuptimin e potencialit elektrostatik të horizontit për një vëzhgues që rrotullohet me horizontin.

Gjithashtu konstante është sasia e quajtur "graviteti sipërfaqësor" i një vrime të zezë, e cila është e barabartë me nxitimin (në njësi të kohës së koordinatave) të një grimce të mbajtur në qetësi në horizont, në formë të pandryshueshme.

ku vektori përcaktohet me formulën (14). në (d.m.th. është një vektor izotropik i shtrirë në hipersipërfaqe

Një tjetër vektor izotropik i normalizuar nga kushti Për metrikën Kerr-Newman, graviteti sipërfaqësor i horizontit është i barabartë me

Vrimat e zeza

Duke filluar nga mesi i shekullit të 19-të. Zhvillimi i teorisë së elektromagnetizmit, James Clerk Maxwell kishte sasi të mëdha informacioni rreth fushave elektrike dhe magnetike. Në veçanti, ajo që ishte befasuese ishte fakti se forcat elektrike dhe magnetike zvogëlohen me distancën në të njëjtën mënyrë si graviteti. Si forcat gravitacionale ashtu edhe ato elektromagnetike janë forca me rreze të gjatë. Ato mund të ndihen në një distancë shumë të madhe nga burimet e tyre. Përkundrazi, forcat që lidhin bërthamat e atomeve së bashku - forcat e ndërveprimeve të forta dhe të dobëta - kanë një gamë të shkurtër veprimi. Forcat bërthamore ndihen vetëm në një zonë shumë të vogël që rrethon grimcat bërthamore. Gama e madhe e forcave elektromagnetike do të thotë që, larg vrimës së zezë, mund të bëhen eksperimente për të zbuluar nëse vrima është e ngarkuar apo jo. Nëse një vrimë e zezë ka një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik të veriut ose jugut), atëherë një vëzhgues i largët mund të përdorë instrumente të ndjeshme për të zbuluar ekzistencën e këtyre ngarkesave.Në fund të viteve 1960 dhe në fillim Vitet 1970, astrofizikanë-teoricienët kanë punuar shumë në problemin: cilat veti të vrimave të zeza ruhen dhe cilat humbasin në to? Karakteristikat e një vrime të zezë që mund të matet nga një vëzhgues i largët janë masa e saj, ngarkesa dhe momenti këndor. Këto tre karakteristika kryesore ruhen gjatë formimit të një vrime të zezë dhe përcaktojnë gjeometrinë e hapësirë-kohës pranë saj. Me fjalë të tjera, nëse vendosni masën, ngarkesën dhe momentin këndor të një vrime të zezë, atëherë gjithçka rreth saj do të dihet tashmë - vrimat e zeza nuk kanë veçori të tjera përveç masës, ngarkesës dhe momentit këndor. Kështu, vrimat e zeza janë objekte shumë të thjeshta; ato janë shumë më të thjeshta se yjet nga të cilët lindin vrimat e zeza. G. Reisner dhe G. Nordström zbuluan një zgjidhje për ekuacionet e fushës gravitacionale të Ajnshtajnit, e cila përshkruan plotësisht një vrimë të zezë "të ngarkuar". Një vrimë e zezë e tillë mund të ketë një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) dhe/ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik verior ose jugor). Nëse trupat me ngarkesë elektrike janë të zakonshëm, atëherë ato me ngarkesë magnetike nuk janë aspak. Trupat që kanë një fushë magnetike (për shembull, një magnet i zakonshëm, një gjilpërë busull, Toka) domosdoshmërisht kanë dy polet veriore dhe jugore menjëherë. Deri vonë, shumica e fizikanëve besonin se polet magnetike ndodhin gjithmonë vetëm në çifte. Megjithatë, në vitin 1975, një grup shkencëtarësh nga Berkeley dhe Houston njoftuan se gjatë një prej eksperimenteve të tyre ata kishin zbuluar një monopol magnetik. Nëse vërtetohen këto rezultate, rezulton se mund të ekzistojnë ngarkesa magnetike të veçanta, d.m.th. se poli magnetik i veriut mund të ekzistojë ndaras nga jugu dhe anasjelltas. Zgjidhja Reisner-Nordström lejon mundësinë që një vrimë e zezë të ketë një fushë magnetike monopole. Pavarësisht se si vrima e zezë fitoi ngarkesën e saj, të gjitha vetitë e asaj ngarkese në zgjidhjen Reisner-Nordström kombinohen në një karakteristikë - numrin Q. Kjo veçori është analoge me faktin se zgjidhja e Schwarzschild nuk varet nga mënyra se si e zeza vrima fitoi masën e saj. Për më tepër, gjeometria e hapësirë-kohës në zgjidhjen Reisner-Nordström nuk varet nga natyra e ngarkesës. Mund të jetë pozitiv, negativ, të korrespondojë me polin magnetik verior ose jug - vetëm vlera e tij e plotë është e rëndësishme, e cila mund të shkruhet si |Q|. Pra, vetitë e një vrime të zezë Reisner-Nordström varen vetëm nga dy parametra - masa totale e vrimës M dhe ngarkesa totale e saj |Q| (me fjalë të tjera, mbi vlerën e tij absolute). Duke menduar për vrimat e zeza reale që mund të ekzistojnë në të vërtetë në Universin tonë, fizikanët arritën në përfundimin se zgjidhja Reisner-Nordström nuk është shumë domethënëse, sepse forcat elektromagnetike janë shumë më të forta se forcat gravitacionale. Për shembull, fusha elektrike e një elektroni ose protoni është triliona triliona herë më e fortë se fusha e tij gravitacionale. Kjo do të thotë se nëse një vrimë e zezë do të kishte një ngarkesë mjaft të madhe, atëherë forca të mëdha me origjinë elektromagnetike do të shpërndanin shpejt gazin dhe atomet që "lundrojnë" në hapësirë në të gjitha drejtimet. Në një kohë shumë të shkurtër, grimcat me të njëjtën shenjë ngarkese si vrima e zezë do të përjetonin zmbrapsje të fuqishme dhe grimcat me shenjën e ngarkesës së kundërt do të përjetonin një tërheqje po aq të fuqishme drejt saj. Duke tërhequr grimcat me ngarkesa të kundërta, vrima e zezë së shpejti do të bëhej elektrikisht neutrale. Prandaj, mund të supozojmë se vrimat e zeza reale kanë vetëm një ngarkesë të vogël. Për vrimat e zeza reale, vlera e |Q| duhet të jetë shumë më pak se M. Në fakt, nga llogaritjet rezulton se vrimat e zeza që mund të ekzistojnë në të vërtetë në hapësirë duhet të kenë një masë M të paktën një miliard miliard herë më të madhe se vlera |Q|.

Studiuesit nga universitetet e Valencias dhe Lisbonës vendosën të shikojnë përtej relativitetit të përgjithshëm për të zgjidhur problemin kryesor me vrimat e zeza - fenomenet e çuditshme në qendër të tyre.

Vrimat e zeza me ngarkesë elektrike

Vrima e zezë që ata po shqyrtojnë është një rast i veçantë që nuk ekziston në natyrë, pasi është i ngarkuar elektrikisht dhe nuk rrotullohet rreth vetes. Ky objekt i çuditshëm nuk është një pikë me densitet të pafund, por një vrimë krimbi - një lloj ure në një vend tjetër në kohë dhe hapësirë.

Për të arritur në këtë vendim, shkencëtarët e barazuan vrimën e zezë me grafenin ose kristalin. Gjeometria e tyre mund të përdoret për të riprodhuar hapësirën dhe kohën.

Anomali hapësinore-kohore

Ashtu si kristalet janë të papërsosur në mikrostrukturën e tyre, rajoni qendror i një vrime të zezë mund të interpretohet si një anomali në hapësirë dhe kohë, duke kërkuar elemente të reja gjeometrike për ta përshkruar atë më saktë. Shkencëtarët hulumtuan të gjitha opsionet e mundshme, duke marrë parasysh faktet që ata vëzhguan në natyrë.

Përshkrimi i veçorive të vrimave të zeza është ende një detyrë tepër e vështirë. Për të arritur këtë, është e nevojshme të kombinohen teoria e relativitetit dhe mekanika kuantike, dhe ato funksionojnë mjaft dobët së bashku.

Teoria e shkencëtarëve zgjidh natyrshëm disa probleme në interpretimin e vrimave të zeza me ngarkesë elektrike. Para së gjithash, ata zgjidhën problemin e singularitetit, pasi në qendër të një vrime të zezë ka një "derë" - një vrimë krimbi përmes së cilës koha dhe hapësira mund të vazhdojnë.

Roli i vrimës së krimbit

Sipas interpretimit të shkencëtarëve, vendi në qendër të vrimës së zezë zëvendësohet nga një vrimë krimbi, madhësia e së cilës është drejtpërdrejt proporcionale me ngarkesën e saj elektrike. Sa më e madhe të jetë ngarkesa, aq më e madhe është vrima e krimbit. Teorikisht, një eksplorues i guximshëm mund të hidhej në këtë vrimë të zezë, ku ai do të thithej nga forcat e forta të baticës (një proces i quajtur spagetifikim), do të kalonte nëpër vrimën e krimbit dhe do të ishte në gjendje të kthehej përsëri në univers.

Ky zbulim është mjaft interesant. Megjithëse vrimat e krimbave zakonisht parashikohen nga relativiteti i përgjithshëm, ato kërkojnë një lloj lënde ekzotike për të mbetur e qëndrueshme. Në vend të kësaj, ato manifestohen në materie dhe energji të zakonshme.

Vrimat e zeza të ngarkuara me energji elektrike nuk pritet të formohen në natyrë, veçanërisht nëse ato prodhojnë rezultate të veçanta, siç është formimi i një vrime të qëndrueshme krimbi. Por, në fund të fundit, edhe vrimat e zeza të vërteta dikur konsideroheshin thjesht një ide e zbukuruar teorike.

Duke filluar nga mesi i shekullit të 19-të. Zhvillimi i teorisë së elektromagnetizmit, James Clerk Maxwell kishte sasi të mëdha informacioni rreth fushave elektrike dhe magnetike. Në veçanti, ajo që ishte befasuese ishte fakti se forcat elektrike dhe magnetike zvogëlohen me distancën në të njëjtën mënyrë si graviteti. Si forcat gravitacionale ashtu edhe ato elektromagnetike janë forca me rreze të gjatë. Ato mund të ndihen në një distancë shumë të madhe nga burimet e tyre. Përkundrazi, forcat që lidhin bërthamat e atomeve së bashku - forcat e ndërveprimeve të forta dhe të dobëta - kanë një gamë të shkurtër veprimi. Forcat bërthamore ndihen vetëm në një zonë shumë të vogël që rrethon grimcat bërthamore. Gama e madhe e forcave elektromagnetike do të thotë që, larg vrimës së zezë, mund të bëhen eksperimente për të zbuluar nëse vrima është e ngarkuar apo jo. Nëse një vrimë e zezë ka një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik të veriut ose jugut), atëherë një vëzhgues i largët mund të zbulojë ekzistencën e këtyre ngarkesave duke përdorur instrumente të ndjeshme. Në fund të viteve 1960 dhe në fillim të viteve 1970, astrofizikanët teorikë punuan shumë për problemin: cilat veti të vrimave të zeza ruhen dhe cilat humbasin në to? Karakteristikat e një vrime të zezë që mund të maten nga një vëzhgues i largët janë masa e saj, ngarkesa dhe momenti i saj këndor. Këto tre karakteristika kryesore ruhen gjatë formimit të një vrime të zezë dhe përcaktojnë gjeometrinë e hapësirë-kohës pranë saj. Me fjalë të tjera, nëse vendosni masën, ngarkesën dhe momentin këndor të një vrime të zezë, atëherë gjithçka rreth saj do të dihet tashmë - vrimat e zeza nuk kanë veçori të tjera përveç masës, ngarkesës dhe momentit këndor. Kështu, vrimat e zeza janë objekte shumë të thjeshta; ato janë shumë më të thjeshta se yjet nga të cilët lindin vrimat e zeza. G. Reisner dhe G. Nordström zbuluan një zgjidhje për ekuacionet e fushës gravitacionale të Ajnshtajnit, e cila përshkruan plotësisht një vrimë të zezë "të ngarkuar". Një vrimë e zezë e tillë mund të ketë një ngarkesë elektrike (pozitive ose negative) dhe/ose një ngarkesë magnetike (që korrespondon me polin magnetik verior ose jugor). Nëse trupat me ngarkesë elektrike janë të zakonshëm, atëherë ato me ngarkesë magnetike nuk janë aspak. Trupat që kanë një fushë magnetike (për shembull, një magnet i zakonshëm, një gjilpërë busull, Toka) domosdoshmërisht kanë dy polet veriore dhe jugore menjëherë. Deri vonë, shumica e fizikanëve besonin se polet magnetike ndodhin gjithmonë vetëm në çifte. Megjithatë, në vitin 1975, një grup shkencëtarësh nga Berkeley dhe Houston njoftuan se gjatë një prej eksperimenteve të tyre ata kishin zbuluar një monopol magnetik. Nëse vërtetohen këto rezultate, rezulton se mund të ekzistojnë ngarkesa magnetike të veçanta, d.m.th. se poli magnetik i veriut mund të ekzistojë ndaras nga jugu dhe anasjelltas. Zgjidhja Reisner-Nordström lejon mundësinë që një vrimë e zezë të ketë një fushë magnetike monopole. Pavarësisht se si vrima e zezë fitoi ngarkesën e saj, të gjitha vetitë e asaj ngarkese në zgjidhjen Reisner-Nordström kombinohen në një karakteristikë - numrin Q. Kjo veçori është analoge me faktin se zgjidhja e Schwarzschild nuk varet nga mënyra se si e zeza vrima fitoi masën e saj. Për më tepër, gjeometria e hapësirë-kohës në zgjidhjen Reisner-Nordström nuk varet nga natyra e ngarkesës. Mund të jetë pozitiv, negativ, të korrespondojë me polin magnetik verior ose jug - vetëm vlera e tij e plotë është e rëndësishme, e cila mund të shkruhet si |Q|. Pra, vetitë e një vrime të zezë Reisner-Nordström varen vetëm nga dy parametra - masa totale e vrimës M dhe ngarkesa totale e saj |Q| (me fjalë të tjera, mbi vlerën e tij absolute). Duke menduar për vrimat e zeza reale që mund të ekzistojnë në të vërtetë në Universin tonë, fizikanët arritën në përfundimin se zgjidhja Reisner-Nordström nuk është shumë domethënëse, sepse forcat elektromagnetike janë shumë më të forta se forcat gravitacionale. Për shembull, fusha elektrike e një elektroni ose protoni është triliona triliona herë më e fortë se fusha e tij gravitacionale. Kjo do të thotë se nëse një vrimë e zezë do të kishte një ngarkesë mjaft të madhe, atëherë forca të mëdha me origjinë elektromagnetike do të shpërndanin shpejt gazin dhe atomet që "lundrojnë" në hapësirë në të gjitha drejtimet. Në një kohë shumë të shkurtër, grimcat me të njëjtën shenjë ngarkese si vrima e zezë do të përjetonin zmbrapsje të fuqishme dhe grimcat me shenjën e ngarkesës së kundërt do të përjetonin një tërheqje po aq të fuqishme drejt saj. Duke tërhequr grimcat me ngarkesa të kundërta, vrima e zezë së shpejti do të bëhej elektrikisht neutrale. Prandaj, mund të supozojmë se vrimat e zeza reale kanë vetëm një ngarkesë të vogël. Për vrimat e zeza reale, vlera e |Q| duhet të jetë shumë më pak se M. Në fakt, nga llogaritjet rezulton se vrimat e zeza që mund të ekzistojnë në të vërtetë në hapësirë duhet të kenë një masë M të paktën një miliard miliard herë më të madhe se vlera |Q|.