რასთან გვაქვს საქმე

როდესაც შავ ხვრელებზე ვსაუბრობთ, პირველ რიგში უნდა ვიცოდეთ, რომ ისინი სამყაროში ყველაზე მასიური და ამასთან ერთად მისტიკური ობიექტებია. მათი გრავიტაციული ველი იმდენად ძლიერია, რომ არაფერს, სინათლესაც კი, არ ძალუძს შავი ხვრელების მიზიდულობისგან თავის დაღწევა. სწორედ აქედან მომდინარეობს სახელიც — "შავი ხვრელი".

შავი ხვრელი შეიძლება იყოს შედარებით პატარა და გიგანტურიც. მაგალითად, ასეთი ზემასიური ობიექტის მასა ზოგ შემთხვევაში მზეზე 3 მილიარდჯერ დიდია. ეს ფაქტიურად მთელი გალაქტიკის მასის პროპორციულია. შესაბამისად, ასტრონომებს მიაჩნიათ, რომ ყოველი გალაქტიკის ცენტრში ზემასიური შავი ხვრელია მოთავსებული, რომელიც თავისი კოლოსალური გრავიტაციის ხარჯზე მილიარდობით ვარსკვლავის სისტემაზე მოქმედებს. დიახ, დაახლოებით ისე როგორც მზე მზის სისტემაზე.

ეს ყველაფერი გარედან, მაგრამ რა ხდება ამ მონსტრების შიგნით? რა არის რეალურად შავი ხვრელი, როგორ ჩნდება ის და რა მოხდება თუ მათ მოვლენების ჰორიზონტს გადავკვეთთ? ან საერთოდ, რა არის ეს "მოვლენების ჰორიზონტი"?

ამ შეკითხვებზე ზუსტი პასუხი კაცობრიობას ჯერ არ აქვს, თუმცა, გარკვეული ინფორმაცია უკვე არსებობს. ამ სტატიაში სწორედ ასეთ ინფორმაციაზე მოგიყვებით, გაგიზიარებთ ყველაფერს რაც მეცნიერებმა შავ ხვრელებზე იციან.

პირველი იდეა — ჰიპოთეზიდან რეალობამდე

თავად ტერმინი "შავი ხვრელი" პირველად ამერიკელმა ფიზიკოსმა ჯონ უილერმა 1967 წელს გამოიყენა. თუმცა, შავი ხვრელების იდეა ამით არ გაჩენილა. ეს კონცეფცია ჯერ კიდევ მე-18 საუკუნეში დაიბადა, როდესაც ფრანგმა მეცნიერმა პიერ ლაპლასმა 1796 წელს მსგავსი უცნაური ობიექტის არსებობა იწინასწარმეტყველა. ის აქამდე ნიუტონის მიზიდულობის კანონიდან მივიდა.

ლაპლასმა გაიაზრა, რომ თუ ობიექტს ზომაში დავაპატარავებდით და ამასთან შევინარჩუნებდით იმავე წონას, მაშინ მისი მიზიდულობისგან თავის დასაღწევად უფრო დიდი ძალისხმევა და სიჩქარე დაგვჭირდებოდა. აქედან ლაპლასი მივიდა იმ ზღვრამდე, სადაც ობიექტს ისე დავაპატარავებდით, რომ მისგან თავს ვერაფერი დააღწევდა. მეტიც, მან მიიჩნია, რომ ბუნებაში იარსებებდა ციური სხეული იმდენად მასიური და დიდი მიზიდულობის მქონე, რომ არაფერს მისცემდა საშუალებას მისგან თავის დაღწევის. მან ამ არაფერში სინათლეც იგულისხმა. შესაბამისად ასეთი ობიექტი ჩვენთვის აბსოლუტურად უხილავი იქნებოდა, ანუ შავი.

ამის შემდეგ, უკვე 1915 წელს აინშტაინის ზოგადი ფარდობითობის თეორიამ გვითხრა, რომ გრავიტაციას სინათლის გამრუდება შეუძლია. 1916 წელს გერმანელმა მათემატიკოსმა კარლ შვარცშილდმა აინშტაინის განტოლებები გამოიყენა რათა ობიექტების ისეთი რადიუსი გამოეთვალა, რომლიდანაც თვით სინათლეც კი ვერ დააღწევს თავს. ფაქტიურად შვარცშილდი იყო პირველი მეცნიერი, რომელმაც შავი ხვრელები მათემატიკურად ჩამოაყალიბა.

მიუხედავად ამისა, 1970-იან წლებამდე შავი ხვრელები მხოლოდ მათემატიკური ვარაუდები იყო. ეს მანამ სანამ, 1971 წელს, არ აღმოაჩინეს პირველი ფიზიკური შავი ხვრელი Cygnux X-1.

პირველი შავი ხვრელი

დიდხანს თვლიდნენ, რომ რადგან შავი ხვრელები შავია და შუქს არ ასხივებენ, მათი აღმოჩენა შეუძლებელი იქნებოდა. თუმცა, ეს ასე არაა და ამაში მეცნიერები მალევე დარწმუნდნენ. ეს კი იმ ფაქტის გამო, რომ ისინი ახლომდებარე მატერიას "სანსლავენ". მაგალითად, თუ შავი ხვრელი ორობითი ვარსკვლავური სისტემის წევრია, მატერია, რომელიც მასში ჩაედინება მისი კომპანიონისგან, საკმაოდ მკვეთრად ასხივებს — მანამ სანამ მას შავი ხვრელი საბოლოოდ შესანსლავს.

პირველი შავი ხვრელი, რომელიც აღმოაჩინეს, იყო Cygnus X-1. ის ჩვენს გალაქტიკაში, გედის თანავარსკვლავედში მდებარეობს. საუბარია 1971 წელზე, როდესაც ამ თანავარსკლავედში აღმოაჩინეს რენტგენული გამოსხივების დიდი წყარო, რომლის გარშემოც ძალიან დიდი ვარსკვლავი ბრუნავდა. ერთი შეხედვით არაფერი განსაკუთრებული, მაგრამ მათი გამოსხივება ძალიან დიდი იყო.

ასტრონომებმა დაადგინეს, რომ რენტგენის სხივები მოდიოდა კაშკაშა ლურჯი ვარსკვლავიდან და რაც მთავარია, ის ბრუნავდა უცნაური ბნელი ობიექტის გარშემო. მკვლევრები მალევე მიხვდნენ, რომ აღმოჩენილი რენტგენის სხივები ვარსკვლავს შორდებოდა და მას ბნელი ობიექტი "სანსლავდა". ეს ყველაფერი შავ ხვრელს ჰგავდა, რომელსაც ვარსკვლავის "ჭამისას" წაასწრეს.

მეცნიერებმა საბოლოოდ დაასკვნეს, რომ მათ პირველი შავი ხვრელი აღმოაჩინეს. მოვლენის სხვაგვარი ახსნა უბრალოდ არ მოიძებნა.

შავი ხვრელების დაფიქსირება — ფოტო

2019 წლამდე ყველა შავი ხვრელი, რაც დოკუმენტურ ფილმებში, წიგნებში თუ სხვაგან გვინახავს ყველაფერი ხელოვნურად შექმნილი იყო. არ არსებობდა შავი ხვრელის რეალური ფოტო. ფოტოს დაფიქსირების სირთულე ის იყო, რომ შავი ხვრელების დანახვა შეუძლებელია. თუმცა, როგორც წესი შავი ხვრელების გარშემო გავარვარებული გაზის ღრუბლები ბრუნავს და ისინი მაღალი ტემპერატურის გამო დიდი რაოდენობით რადიაციას ასხივებენ.

ასტრონომებმა სწორედ ასეთი რადიაციის დაფიქსირება შეძლეს. და აი ისიც, 2019 წლის აპრილში კაცობრიობამ შავი ხვრელის პირველი ფოტო იხილა. ეს გალაქტიკა Messier 87-ის ცენტრში არსებული გიგანტია, რომლის სიგანეც 40 მილიარდი კილომეტრია. თუმცა, მიუხედავად ასეთი ზომებისა, ეს იგივეა 1 მილიმეტრის ზომის ობიექტს 13 000 კილომეტრის მანძილიდან გადაუღო ფოტო.

"ის, რასაც ფოტოზე ვხედავთ, უფრო დიდია ვიდრე მთელი ჩვენი მზის სისტემა. მისი მასა მზისას 6,5 მილიარდჯერ აღემატება. ჩვენი გამოთვლებით, ეს სამყაროში ერთ-ერთი ყველაზე მძიმე შავი ხვრელია", — თქვეს ასტრონომებმა, რომლებიც შავი ხვრელის ფოტოს მოპოვებისთვის მუშაობდნენ.

ამ გიგანტური შავი ხვრელის გადასაღებად მკვლევართა გუნდმა ჩილეში, ჰავაიში, არიზონაში, სამხრეთ პოლუსსა და დედამიწის სხვადასხვა წერტილში არსებული ტელესკოპები გამოიყენა. იმის გასააზრებლად თუ რამდენად რთული იყო მსგავსი სამუშაოების ჩატარება, უნდა ვიცოდეთ, რომ მხოლოდ ერთი ღამის განმავლობაში ტელესკოპები ერთ პეტაბაიტს, ანუ ერთ მილიონი გიგაბაიტის რაოდენობის ინფორმაციას აგროვებდნენ. ამის შემდეგ კი ამ ინფორმაციის გადამუშავება სუპერკოპიუტერებით ხდებოდა.

და აი ზუსტად იმ მომენტში, როდესაც ამ სტატიას ვწერდი ძალიან მნიშვნელოვანი სიახლე გავიგეთ — მეცნიერებმა ჩვენი გალაქტიკის ცენტრში მდებარე შავი ხვრელიც გადაიღეს. ეს მოვლენათა ჰორიზონტის ტელესკოპით (EHT) შეძლეს, რისი გამოყენებითაც მეცნიერებმა მშვილდოსან A*-ს პირველი გამოსახულება მოიპოვეს. მასზე წარმოდგენილია ობიექტის კონტური, იგივე აკრეციული დისკო, აირისა და მტვრის რგოლი, რომელიც ექსტრემალური გამოსხივებით ხასიათდება.

ირმის ნახტომის ცენტრალურ ნაწილში განლაგებული ეს კომპაქტური ასტრონომიული რადიოწყარო ჩვენგან 26 000 სინათლის წლითაა დაშორებული. მისი მასა მზისას 4.3 მილიონჯერ აღემატება, რადიუსი კი 23.5 მილიონი კილომეტრია. შედარებისთვის, თავად ჩვენი გალაქტიკა 100 000 სინათლის წლის მანძილზეა გადაჭიმული.

ჩვენი გალაქტიკის ცენტრში შავი ხვრელის ფოტოს გადაღება კიდევ უფრო რთული იყო, ვიდრე ეს M 87-ის. მიზეზი მარტივია, ჩვენს გალაქტიკაში ზემასიური შავი ხვრელი სულ რაღაცა 4,3 მილიონჯერ უფრო მასიურია ვიდრე მზე, მაშინ როცა მეზობელი გალაქტიკის ცენტრში განთავსებული შავი ხვრელი ჩვენს ვარსვკვლავზე 6,5 მილიარდჯერ მასიურია.

ეს უკანასკნელი აღმოჩენა, კიდევ ერთხელ ადასტურებს, რომ გალაქტიკების ცენტრში მართლაც ზემასიური შავი ხვრელები უნდა იყოს.

როგორ წარმოიქმნება შავი ხვრელი და რამდენნაირი არსებობს

და მაინც, როგორ წარმოიქმნება ეს იდუმალი ობიექტი, სად არიან ისინი და რა ტიპის შავი ხვრელები არსებობს? მაშ ასე, ითვლება, რომ ჯერ მარტო ჩვენს გალაქტიკაში შეიძლება 100 მილიონამდე შავი ხვრელი იყოს. ბევრია? ნუ იჩქარებთ — რაც შეეხება მთლიანად სამყაროს, ბოლო კვლევების მიხედვით, სამყაროში დაახლოებით 40 000 000 000 000 000 000 შავი ხვრელია. უფრო გასაგებად რომ ავხსნათ, ეს იმას ნიშნავს, რომ კოსმოსის შემადგენელი ჩვეულებრივი (ბარიონული) მატერიის 1 პროცენტი სწორედ ამ ობიექტებშია მოქცეული. ეს შედეგი მკვლევრებმა მნათობების სავარაუდო რაოდენობის დადგენის, მათი და ბინარული სისტემების ევოლუციის, ასევე, გალაქტიკების მახასიათებლებისა და სივრცის ლითონური თვისებების გათვალისწინებით მიიღეს.

თუმცა, ეს ყველა შავი ხვრელი ერთნაირი ნამდვილად არ არის. არსებობს ოთხი ტიპის შავი ხვრელები: ვარსკვლავური, შუალედური, ზემასიური და მინიატურული. მიიჩნევა, რომ შავი ხვრელების უმეტესობა ვარსკვლავურებზე მოდის. მაშინ როცა მაგალითად, ზემასიური შავი ხვრელების რიცხი შედარებით პატარა შავ ხვრელებზე 100-ჯერ ნაკლებია. იგივე შეიძლება ითქვას, საშუალო მასის მქონე შავ ხვრელებზე. შეიძლება არსებობდეს შავი ხვრელის კიდევ ერთი კატეგორია, ეს არის მიკრო შავი ხვრელი. თუმცა, ჯერჯერობით, ისინი ჯერ კიდევ მხოლოდ ჰიპოთეტურია და მათი არსებობა არ არის დადასტურებული.

მას შემდეგ რაც ვიცით თუ რამდენნაირი შავი ხვრელი არსებობს საინტერესოა თუ როგორ ჩნდებიან ისინი. დავიწყოთ ვარსკვლავური შავი ხვრელებით, რომლებიც სამყაროში ყველაზე ხშირად გვხვდება.

ვარსკვლავური შავი ხვრელი — ასეთი ობიექტი ჩნდება მაშინ, როდესაც ძალიან მასიური ვარსკვლავის ბირთვი საკუთარ თავში იშლება. ეს ვარსკვლავის სიცოცხლის ბოლოს ხდება და მისი მასა ჩვენს მზეზე მინიმუმ ხუთჯერ დიდი უნდა იყოს რათა მისმა გრავიტაციამ შავი ხვრელი წარმოქმნას.

საინტერესოა, რომ ვარსკვლავის მასიდან გამომდინარე, კოლაფსი შეიძლება შეჩერდეს და წარმოიქმნას ნეიტრონული ვარსკვლავი. თუმცა, თუ მასა საკმარისია, ბირთვის კოლაფსი გაგრძელდება და გაჩნდება შავი ხვრელი. ვარსკვლავური მასის შავი ხვრელების მასა ჩვენს მზეზე მინიმუმ ხუთჯერ და მაქსიმუმ 60-ჯერ მასიურია. რაც შეეხება დიამეტრს, ეს დაახლოებით 16-48 კილომეტრამდეა.

შუალედური შავი ხვრელი — შუალედური შავი ხვრელები ერთგვარი გარდამავლები არიან ვარსკვლავურიდან ზემასიურამდე. ეს ობიექტები მასით დაბალი მასის მქონე შავ ხრელებსა და ზემასიურ შავ ხვრელებს შორის დგანან. ისინი თავიდან დაბალი მასის შავ ხვრელებად ყალიბდებიან, შემდეგ კი ზემასიურ ხვერელბად იქცევიან. რაც შეეხება ზომაში მატებას, მიიჩნევა, რომ ისინი დროსთან ერთად „შესანსლული“ მატერიით იზრდებიან.

ზემასიური შავი ხვრელი — და აი ისიც, ზემასიური შავი ხვრელები. ეს კოლოსალური ობიექტებია და მათი მასა შეიძლება მზეზე რამდენიმე მილიარდჯერ უფრო დიდი იყოს. სწორედ ერთ-ერთი მათგანია M 87 გალაქტიკის ცენტრში, მზეზე თითქმის 7 მილიარდჯერ დიდი მასით. ასეთივეა მშვილდოსანი A*, რომელიც ჩვენი გალაქტიკის ცენტრშია და მისი ფოტო სწორედ ამ სტატიის დროს გამოქვეყნდა. როგორც სტატიიდანაც ვხედავთ ასეთი შავი ხვრელები გალაქტიკების ცენტრებშია და ისინი თავისი კოლოსალური მასით მთელს გალაქტიკებს აბალანსებენ.

ზემასიური შავი ხვრელების წარმომავლობაზე ზუსტი პასუხი ჯერ არ გვაქვს. თითქმის შეუძლებელია ასეთი ობიექტები რომელიმე ვარსკვლავის სიკვდილის შემდეგ გაჩენილიყო, ასეთი მასიური ვარსკვლავები სამყაროში უბრალოდ არ არსებობს. ამიტომ, მიიჩნევა, რომ ასეთი ობიექტები სამყაროს ადრეულ ეტაპზევე წარმოიშვა, თუმცა ეს კვლავ აქტიური კვლევის სფეროა. მეცნიერების ნაწილს ისიც მიაჩნია, რომ თავიდან ისინი შუალედური შავი ხვრელები იყვნენ, მაგრამ დროსთან, შესანსლულ მატერიასთან და სხვა შავ ხვრელებთან გაერთიანების შედეგად ზემასიურებად იქცნენ. მიიჩნევა, რომ ასეთი შავი ხვრელები თავიანთი გალაქტიკების წარმოშობის დროს უკვე არსებობდნენ.

შემდეგი პოდკასტი: შავი ხვრელები — სამყაროს ყველაზე მისტიკური ობიექტები

რა ხდება შავ ხვრელში — ის რაც ვიცით და რაც არ ვიცით

ერთი შეხედვით, ჩვენ ვერასდროს გავიგებთ თუ რა არის შავ ხვრელში, რადგან როგორც უკვე ვიცით, ვერანაირი ინფორმაცია, სინათლეც კი ვერ აღწევს შავი ხვრელიდან. თუმცა, მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ შავი ხვრელის ბირთვში, შავი ხვრელის მთელი მასაა და ესაა უსასრულო სიმკვრივის პატარა წერილი. ეს წერტილი ცნობილია როგორც სინგულარობა.

მიიჩნევა, რომ სწორედ ეს სინგულარობა ქმნის შავი ხვრელის წარმოუდგენლად ძლიერ გრავიტაციულ ველს. თუმცა, სინგულარობა ჰიპოთეტური მოცემულობაა და ის ნაწილობრივ აღნიშნავს იმას რაც არ გვესმის. ეს იმიტომ ხდება, რომ ჩვენთვის ცნობილი ფიზიკა ასეთ ექსტრემალურ და კოლოსალური გრავიტაციისას სრულდება. უშუალოდ შავი ხვრელის ცენტრში კვანტური ეფექტები უდავოდ დიდ როლს თამაშობს. პრობლემა კი ის არის, რომ ჩვენ ჯერ არ გვაქვს გრავიტაციის კვანტური თეორია, შეუძლებელია იმის აღწერა, თუ რა არის სინამდვილეში შავი ხვრელის ბირთვში.

ქვიზი: რა იცი შავ ხვრელებზე და გადაურჩებოდი თუ არა მათ?

მოვლენების ჰორიზონტი — შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ჩვენი ცოდნა იქ მთავრდება სადაც მოვლენების ჰორიზონტი სრულდება. ეს ფიზიკური ზღვარია, რომლის გადაკვეთის შემდეგ შეუძლებელია შავი ხვრელისგან თავის დაღწევა. მატერიის დისკს, რომელიც შავ ხვრელს არტყამს გარს, "აკრეციის დისკს" უწოდებენ და სწორედ ეს არის მოვლენების ჰორიზონტის გარშემო გადაჭიმული. ეს ის "რკალია" რასაც შავი ხვრელების ფოტოს სახით ვხედავთ ხოლმე და სადაც ჩვენი, კაცობრიობის ცოდნის ლიმიტი იწყება.

შავი ხვრელები როგორც დროის მანქანა

დროში მოგზაურობა ვახსენეთ და დავუბრუნდეთ აინშტაინს. 1905 წლამდე, სანამ ალბერტ აინშტაინმა ფარდობითობის სპეციალური თეორია არ გამოაქვეყნა, ყველას ეგონა, რომ სამყაროში დრო უნივერსალურად მიედინებოდა. ფარდობითობაში კი, როგორც სიტყვაც გვეუბნება, დრო და სივრცე განცალკევებული არ არის, ისინი ერთ მთლიანობას წარმოადგენენ. შესაბამისად, დრო ფიქსირებულად არ გადის, თითქოს რომელიღაცა საათზე იყოს დარეგულირებული, არამედ მისი სვლის ტემპი ცვალებადია და დამოკიდებულია იმაზე, თუ სად იმყოფები და თავად რა სიჩქარით მოძრაობ. აინშტაინის თეორიის მიხედვით, უნდა არსებობდეს ისეთი ადგილები, სადაც დრო ნელდება, ან ჩქარდება. დრო კი ნელდება რაიმე სხეულის დედამიწის მსგავს მასიურ სხეულთან გავლის დროს. ეს იმიტომ ხდება, რომ არსებობს კავშირი სინათლის ენერგიასა და მის სიხშირეს შორის (სიხშირე არის სინათლის ტალღების რიცხვი დროის ერთეულში). რაც მეტია ენერგია, მით მეტია სიხშირე.

თუმცა, ჩვენს პლანეტაზე არ არსებობს ისეთი მასის მქონე საგანი, რომელიც დროის შესამჩნევ შენელებას გამოიწვევდა, ასეთი მასა თავად დედამიწასაც კი არ გააჩნია. და რას გააჩნია? რა თქმა უნდა, ეს შავი ხვრელია! რაც უფრო უახლოვდები კოლოსალური მასის მქონე შავ ხვრელს, მით უფრო ძლიერდება გრავიტაცია. იმის ასახსნელად თუ როგორ შეგვიძლია შავი ხვრელის დროში მოგზაურობისთვის გამოყენება ცნობილი ასტროფიზიკოსის, სტივენ ჰოკინგის სიტყვები შეგვიძლია მოვიყვანოთ:

"ხშირად წარმოვიდგენ ხოლმე, თუ როგორ შევძლებთ ერთ მშვენიერ დღეს კოსმოსური ხომალდით ამ საუცხოო მოვლენის საჩვენოდ გამოყენებას. თუმცა ხომალდს, პირველ რიგში, შავ ხვრელში ჩავარდნისგან თავის არიდება დასჭირდება. ამისათვის, საჭირო იქნება ხომალდის შავი ხვრელის მოვლენების ჰორიზონტის გარშემო განთავსება", — ამბობს ჰოკინგი.

საინტერესო ფაქტები

დასასრულ კი გთავაზობთ რამდენიმე საინტერესო ფაქტს, რომელიც სტატიაში უკვე ვახსენეთ, მაგრამ მათი ცალკე გამოყოფა მაინც საჭიროდ მიმაჩნია:

შავი ხვრელი ეს არეა სივრცეში, რომელშიც კოლოსალურად დიდი გრავიტაციაა.

შავი ხვრელის ასეთ კოლოსალურ მასას შედარებით პატარა სივრცეში მატერიის ჩაპრესვა იწვევს.

შავი ხვრელის კოლოსალურ მასის გამო, მისგან სინათლესაც არ შეუძლია თავის დაღწევა.

მარტო ჩვენს გალაქტიკაში მილიონობით შავი ხვრელი უნდა იყოს.

ყოველი გალაქტიკის ცენტრში სავარაუდოდ ზემასიური შავი ხვრელია.

შავი ხვრელის კოლოსალური გრავიტაცია სივრცე-დროს ამრუდებს, რაც დროის შენელებასთან არის დაკავშირებული.

მოვლენების ჰორიზონტი ეს ის მოცემულობაა, რისი გადალახვის შემთხვევაშიც უკან ვეღარაფერი დაბრუნდება და ის საბოლოოდ შავი ხვრელის "მსხვერპლი" გახდება.

დაბოლოს, ახლა ჩვენ უკვე ორი შავი ხვრელის ფოტო გვაქვს!