Қара құрдымдар туралы 20 қызықты мәліметтер

Ғарыш шешімі ғалымдардан шындық туралы әдеттегі түсініктерден шығуға батылдық талап ететін көптеген құпияларды сақтайды. Есепсіз аспан денелерінің арасында кеңістік пен уақыттың табиғатының өзіне сын тастайтын құрылымдар ерекше орын алады. Мұндай құрылымдарды тікелей көру мүмкін емес, себебі тіпті жарық та олардың тұтқынынан шыға алмайды. Ұзақ он жылдықтар бойы мұндай нысандардың бар болуы жалпы салыстырмалылық теориясының теңдеулерінен туындайтын тек теориялық болжам болып қала берді. Ал бүгінде заманауи технологиялардың арқасында адамзат олардың шынайылығының тікелей дәлелдерін алды. Әңгіме қазіргі астрофизиканың ең жұмбақ және баурап алатын құбылысы — қара құрдымдар туралы болмақ.

1. Қара құрдым — гравитациясы соншалықты күшті болғандықтан, тіпті жарық та одан шыға алмайтын кеңістік аймағы. Мұндай тартылыс күші өте кіші көлемде массаның орасан зор шоғырлануынан пайда болады. Дәл осы себептен бұл нысан қарапайым телескоптар арқылы тікелей бақылау үшін көрінбейтін болып қалады.
2. Мұндай нысандардың теориялық бар болуын алғаш ағылшын ғалымы Джон Мичелл 1783 жылы-ақ болжаған. Зерттеуші гравитациясы тіпті жарықты да ұстап тұра алатындай орасан зор жұлдыздардың болу мүмкіндігін ұсынды. Құбылыстың толыққанды математикалық сипаттамасы Альберт Эйнштейннің еңбектерінің арқасында әлдеқайда кейінірек пайда болды.
3. «Қара құрдым» терминін кең ғылыми айналымға америкалық физик Джон Уилер 1967 жылы енгізді. Осы сәтке дейін мұндай нысандарды жиірек «қатып қалған жұлдыздар» немесе «коллапсарлар» деп атайтын. Жаңа атау кең аудитория арасында өз мәнерлілігі мен есте қаларлығының арқасында тез тамырланды.
4. Ешнәрсенің гравитациялық тұтқыннан шыға алмайтын шекарасы оқиғалар көкжиегі деп аталады. Мұндай шекарадан өту кез келген нысанның кері оралу мүмкіндігінсіз құрылымның ішіне қайтымсыз құлдырауын білдіреді. Сырттан бақылаушы құлап жатқан дененің осы шекарадан нақты өту сәтін ешқашан көре алмайды.
5. Қара құрдымдардың басым көпшілігі термоядролық отынын сарқыған соң, орасан зор жұлдыздардың гравитациялық құлдырауының нәтижесінде пайда болады. Массасы Күннен шамамен жиырма есе асатын жұлдыз өмірін дәл осылай аяқтай алады. Бұл ретте жарық берушінің сыртқы қабаттары аса жаңа жұлдыз түрінде жарылады, ал ядросы аса тығыз нысанға сығылады.
6. Өзіміздің галактикамызды қоса алғанда, көптеген белгілі галактиканың орталығында осындай құбылыстың аса массивті түрі орналасқан. Құс жолының орталығындағы мұндай құрылым Стрелец А* деген атау алды және Күн массасынан миллиондаған есе массаға ие. Соншалықты алып нысандардың қалыптасу тетігі бүгінге дейін белсенді ғылыми пікірталастардың тақырыбы болып қала береді.
7. Осындай ғарыш нысанының алғашқы тікелей суретін ғалымдар «Оқиғалар көкжиегінің телескопы» жобасының арқасында тек 2019 жылы алды. Суретте Жерден елу бес миллион жарық жылы қашықтықтағы Мессье 87 галактикасының орталығындағы аса массивті құрылым бейнеленген. Бұл жетістік планетаның әртүрлі құрлықтарында орналасқан сегіз радиотелескоптың бірлескен жұмысының нәтижесі болды.
8. Жалпы салыстырмалылық теориясының математикалық есептеулеріне сай, мұндай құрылымның ішінде шексіз тығыздықтың нүктесі — сингулярлық орналасқан. Осы нүктеде әдеттегі физикалық заңдар толықтай тиісті түрде жұмыс істеуден қалады. Ғалымдар квант гравитациясының болашақ теориясы материяның осындай экстремалды жағдайлардағы мінез-құлқын сипаттауға көмектеседі деп үміттенеді.
9. Гравитациялық баяулау эффектіне сай, массивті гравитациялық нысанның маңайында уақыт одан алыс жердегіден әлдеқайда баяу ағады. Оқиғалар көкжиегіне жеткілікті жақын орналасқан бақылаушы бөгде адам үшін дерлік тоқтап қалғандай көрінеді. Бұл құбылыс «Интерстеллар» фильмінде керемет көркем көрініс тапты.
10. Мұндай нысанға жақындау процесі спагеттификация деп аталатын құбылыспен қатар жүреді. Гравитациялық күштер құлап жатқан денені қозғалыс бағыты бойынша созады, сонымен бір мезгілде оны перпендикуляр бағыттарда қысады. Құбылыстың атауы оның әсерінің нәтижесін — макарон бұйымының жіпшесін еске түсіретін созылған пішінді дәл көрсетеді.
11. Осындай ғарыш нысандарының кейбір түрлері өз осі бойынша орасан зор жылдамдықпен айнала алады. Мұндай айналу құрылымның айналасындағы кеңістікті бұрап, эргосфера деп аталатын аймақты жасайды. Эргосфера ішінде кез келген нысан өз қалауына қарамастан, кеңістіктің өзімен бірге айналуға мәжбүр болады.
12. Стивен Хокинг 1974 жылы мұндай нысандардың мүлдем қара емес екенін, белгілі бір бөлшектерді сәулелендіретінін дәлелдеді. Бұл құбылыс Хокинг сәулеленуі деген атау алды және оқиғалар көкжиегінің маңайындағы квант эффектілерінің арқасында орын алады. Теорияға сай, уақыт өте келе құрылым бірте-бірте массасын жоғалтады да, алыс болашақта толықтай буланады.
13. Массивті нысанның Хокинг сәулеленуі арқылы буалану жылдамдығы өте төмен және елестетуге болмайтын ұзақ уақыт кезеңдеріне созылады. Жұлдыздық массадағы құрылымның толықтай жоғалуы үшін бүкіл Әлемнің қазіргі жасынан айтарлықтай асатын кезең қажет болады. Дәл осы себептен бұл процесс әзірге тікелей бақылау дәлелдерінсіз, тек теориялық болжам ретінде қалып отыр.
14. Қалыпты жұлдыз көрінбейтін массивті серігінің айналасында айналатын қосарлы жүйелер деп аталатын жүйелер бар. Дәл осындай жұптарды бақылау ғалымдарға тікелей суреттерге дейін-ақ бұл нысандардың бар болуын алғаш жанама түрде растауға мүмкіндік берді. Классикалық мысал ретінде өткен ғасырдың алпысыншы жылдарында-ақ табылған Аққу Х-1 жүйесі саналады.
15. Екі массивті нысанның бірігуі 2015 жылы LIGO детекторымен алғаш тіркелген қуатты гравитациялық толқындарды тудырады. Бұл ашылым жалпы салыстырмалылық теориясының жасалғанынан бір ғасыр өткеннен кейін тағы бір болжамын растады. Мұндай толқындарды тапқаны үшін ғалымдар кейіннен физика бойынша Нобель сыйлығын алды.
16. Ғалымдар мұндай нысандарды массасы бойынша бірнеше санатқа — жұлдыздық, аралық және аса массивті түрлерге бөледі. Жұлдыздық санат әдетте біздің Күннің массасынан бірнеше есе, ал аса массивті санат — миллиондаған немесе тіпті миллиардтаған есе асады. Аралық класс астрономдардың оны анықтауының қиындығына байланысты қалғандарынан әлдеқайда нашар зерттелген.
17. Кейбір теоретиктер Үлкен жарылыстан кейін бірден пайда болған гипотетикалық алғашқы құрылымдардың бар болуын жоққа шығармайды. Мұндай нысандар тіпті кіші астероидпен салыстырылатын өте аз массаға ие болуы мүмкін еді. Алғашқы түрдің бар болуының тікелей дәлелдері әзірге табылған жоқ, дегенмен ізденістер белсенді жалғасуда.
18. Массивті нысанның ішіне құлап жатқан материя жиі оның айналасында газ бен шаңнан тұратын қызған аккрециялық дискіні қалыптастырады. Мұндай дискідегі бөлшектердің үйкелісі затты орасан зор температураға дейін қыздырып, күшті рентген сәулеленуін тудырады. Дәл осындай сәулелену арқылы астрономдар жиі жұлдызды аспан арасынан көрінбейтін құрылымдарды табады.
19. Осы нысандардың аса массивті кейбір түрлері жарық жылдамдығына жуық жылдамдықпен қозғалатын релятивистік бөлшектер тар ағындарын — джеттерді лақтыра алады. Мұндай ағындар кейде ата-аналық галактикадан мыңдаған жарық жылы қашықтыққа созылады. Соншалықты қуатты лақтырулардың пайда болу тетігі айналатын нысанның айналасындағы магнит өрістерінің күрделі өзара әрекеттесуімен байланысты.
20. Осындай құрылымдар мен «құрт-ойылымдар» деп аталатын нысандар арасындағы гипотетикалық байланыс бүгінге дейін ғалымдардың да, фантаст жазушылардың да қиялын толғандырады. Математикалық теңдеулер теориялық жағынан кеңістік-уақыттың алыс аймақтарын жалғайтын туннельдердің бар болуын жоққа шығармайды. Мұндай саяхаттың практикалық жүзеге асуы экстремалды приливтік күштер мен болжамды құрылымның тұрақсыздығына байланысты өте екіталай болып қала береді.

Қара құрдымдарды зерттеу әлем құрылысының іргелі заңдары туралы адами түсінудің шекараларын үздіксіз кеңейтуде. Осы саладағы әрбір жаңа ашылым кеңістік, уақыт және материя туралы әдеттегі түсініктерді қайта қарауға мәжбүр етеді. Гравитациялық-толқындық астрономияның одан әрі дамуы алдағы онжылдықтарда мұндай нысандардың талай қосымша құпияларын ашуды уәде етеді. Мүмкін, дәл осы жұмбақ құрылымдар бір күні адамзатқа квант механикасын жалпы салыстырмалылық теориясымен біріктіру құпиясын шешуге көмектеседі. Ғарыш өз бетінше түпкілікті жауаптардан әлдеқайда көп сұрақтарды сақтап келеді, дәл осы оны зерттеуді соншалықты қызықты етеді.