Juodoji skylė

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.

Juodosios bedugnės, esančios mūsų galaktikos centre, apylinkių nuotraukos (fotografuota įvairiais teleskopais)
Juodosios bedugnės, esančios mūsų galaktikos centre, apylinkių nuotraukos (fotografuota įvairiais teleskopais)

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.

Nors juodosios skylės daugumai asocijuojasi su itin dideliu tankiu, labai didelės skylės gali tankios ir nebūti. Kuo mažesnis juodojosios skylės skersmuo, tuo didesnis jos tankis ir atvirkščiai, kuo didesnio skersmens juodoji skylė tuo mažesnis jos tankis. Vidutinis skylės tankis randamas padalijus jos masę iš rutulio, turinčio anksčiau rastą kritinį spindulį, 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, tankis tėra 20 kg/m3 – tai gerokai mažiau nei vandens tankis.

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.

[taisyti] 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).

[taisyti] Dydžiai

Žinomos nedidelės juodosios skyles (iki 20 saulės masių), susidariusios iš atgyvenusių žvaigždžių. Galaktikų centruose yra itin didelių (daugelis tūkstančių saulės masių) skylių. Nėra aišku, kaip jos atsirado – galbūt iš labai senos kartos pirmųjų žvaigždžių, kurios buvo daug didesnės už dabartines [2]. Nėra žinoma, ar egzistuoja tarpinio dydžio skylės.

[taisyti] 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.

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".

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