Kas yra juodoji skylė? Apibrėžimas, savybės ir Hawkingo spinduliuotė

Juodoji skylė: apibrėžimas, savybės, stebėjimo būdai ir Hawkingo spinduliuotė — aiškus paaiškinimas ir naujausi atradimai apie supermasyvius objektus.

Autorius: Leandro Alegsa

07-01-2026 21:53

Juodoji skylė - tai erdvės sritis, iš kurios niekas negali ištrūkti, o pagal bendrąją reliatyvumo teoriją ji atsiranda dėl didžiulės masės sukelto erdvėlaikio išlinkimo. Aplink juodąją skylę yra vieta, iš kurios negrįžtama, vadinama įvykių horizontu. Jis vadinamas juoduoju, nes sugeria visą į jį krintančią šviesą ir nieko neatspindi, panašiai kaip tobulas juodasis kūnas termodinamikoje.

Pagal kvantinės mechanikos teoriją juodosios skylės turi tam tikrą temperatūrą ir skleidžia Hawkingo spinduliuotę, todėl jos pamažu mažėja.

Juodoji skylė randama pagal jos sąveiką su materija. Apie juodosios skylės buvimą galima spręsti stebint grupės žvaigždžių, skriejančių aplink tam tikrą regioną erdvėje, judėjimą. Arba, kai dujos patenka į juodąją skylę, atsiradusią dėl žvaigždės palydovės ar migloto kūno, dujos spirale veržiasi į vidų, įkaista iki labai aukštos temperatūros ir išspinduliuoja didelius spinduliuotės kiekius. Šią spinduliuotę galima aptikti iš Žemėje esančių ir aplink Žemę skriejančių teleskopų.

Kas vyksta juodosios skylės viduje ir aplink ją

Pagal klasikinę bendrąją reliatyvumo teoriją, centre juodosios skylės yra singuliarumas — taškas ar sritis, kurioje kreivumas tampa begalinis ir kur klasikinė fizika nebeturi prasmės. Aplink singuliarumą riboja įvykių horizontas, už kurio įvykiai nebeturi įtakos išoriniam stebėtojui. Rotuojančių juodųjų skylių (Kerr tipo) atveju aplink horizontą susidaro dar ir ergosfera, kurioje materija gali prarasti energiją ir iš jos ištrūkti — tai pagrindas Penrose proceso energijos išgavimui.

Juodųjų skylių savybės, kurių svarbiausios yra masė, sukimas (kampinis momentas) ir krūvis, dažnai apibūdinamos no-hair teorema: iš išorės juoda skylė charakterizuojama tik keliomis šiomis reikšmėmis. Gravitaciniai efektai šalia horizonto apima stiprų laiko dilataciją (laikas stebėtojui iš toli tarsi lėtėja) ir stiprų spinduliuotės lęšinimą (gravitacinis lęšis).

Kaip susidaro juodosios skylės ir kokie jų tipai

Žvaigždžių masių juodosios skylės susidaro žvaigždėms baigiant branduolio žlugimą (supernovos), kai likusio branduolio masė yra pakankama, kad galinga gravitacija įveiktų degeneracinį slėgį.
Supermasyvios juodosios skylės (centruose daugumos galaktikų) turi milijonus ar milijardus saulės masių. Jos susidarymo mechanizmai gali apimti tiesioginį galingų debesų gravitacinį kolapsą, dauginimąsi per sankaupas ar nuolatinį augimą rijant medžiagą ir jungiantis su kitomis juodosiomis skylėmis.
Tarpinės masės juodosios skylės
Primordinės juodosios skylės – hipotetinės, galėjusios susiformuoti ankstyvoje Visatos fazėje dėl tankių regionų susitraukimo.

Kaip juodosios skylės aptinkamos

Juodųjų skylių tiesiogiai nematome, tačiau jų buvimas padaromas matomas per poveikį aplinkiniams objektams ir spinduliuotei. Tipiški aptikimo metodai:

Žvaigždžių orbitų stebėjimai aplink nematomą masyvą (pvz., ilgalaikiai stebėjimai aplink Šaulio A* regioną, esančio Mėlynbarzdžio galaktikos centre (Paukščių Tako, Milky Way)). Iš žvaigždžių orbitų galima nustatyti centro masę — Sgr A* masė yra apie 4 mln. saulės masių.
Spinduliuotė iš akrecijos disko — kai dujos spirale krenta į juodąją skylę, jos įkaista ir skleidžia rentgeno bei kitą aukštos energijos spinduliuotę. Tokią spinduliuotę fiksuoja Žemės ir orbitiniai teleskopai.
Relativistinės išmetamosios srovės (jetai) ir jų poveikis aplinkai.
Gravitaciniai lęšiniai — juodųjų skylių masė gali iškreipti šviesą tolimesnių objektų fone.
Gravitacinės bangos, gaunamos susijungimų metu (pirmasis tiesioginis signalo užfiksavimas nuo dviejų žvaigždžių masių juodųjų skylių susijungimo 2015 m. LIGO detektoriuose).
Tiesioginės horizonto „šešėlio“ nuotraukos — Event Horizon Telescope (EHT) sudarė pirmą nuotrauką M87* horizonte 2019 m. ir vėliau pateikė vaizdus Sgr A*.

Hawkingo spinduliuotė ir juodųjų skylių „garavimas”

Pagal Stephen Hawking pasiūlytą mechanizmą, kvantinės lauko svyravimai arti įvykių horizonto leidžia laikinai atsirasti dalelėms ir antidalelėms; viena dalelė gali pabėgti kaip spinduliuotė, o kita nukristi vidun, taip mažinant juodosios skylės energiją ir masę. Tai vadinama Hawkingo spinduliuote. Jos temperatūra yra atvirkščiai proporcinga juodosios skylės mase — mažos masės juodosios skylės bus karštesnės ir sparčiau „garuos”.

Praktinis pasekmes galima apibendrinti:

Saulės masės dydžio juodoji skylė išgaruotų per milžinišką laiką, daug kartų ilgesnį už dabartinį Visatos amžių (~10^67 metų ar daugiau), todėl tokios juodosios skylės praktiškai „amžinos” stebimo kosminio masto atžvilgiu.
Supermasyvios juodosios skylės išgaruotų dar ilgesnį laiką (galimi skaičiai viršijančiai 10^90–10^100 metų), todėl jų masės sumažėjimas dėl Hawkingo proceso yra neapčiuopiamas per kosmologines epoches.
Tik labai mažos (pvz., primordinės) juodosios skylės galbūt būtų spėjusios išgaruoti per Visatos istoriją ir galėtų duoti matomą signalą, jei tokios egzistuoja.

Kiti svarbūs reiškiniai ir atradimai

Juodosios skylės yra ne tik teorinis objektas — jos daro realią įtaką galaktikų evoliucijai (feedback mechanizmai per išmetamąsias sroves ir radiaciją). Kai kurie svarbūs pasiekimai ir faktai:

Astronomai rado įrodymų, kad beveik visų galaktikų centruose yra supermasyvių juodųjų skylių, kurios veikia kaip galaktikos branduoliai ir reguliuoja žvaigždžių formavimąsi.
Ilgalaikiai žvaigždžių judėjimo stebėjimai (per keliasdešimt metų) aplink centrines zonas suteikė tiesioginius įrodymus apie sunkius, kompaktiškus objektus — pavyzdžiui, šešiolika metų stebėję netoliese esančių žvaigždžių judėjimą, 2008 m. astronomai rado įtikinamų įrodymų, kad netoli Šaulio A* regiono, esančio Mėlynbarzdžio galaktikos centre, yra daugiau kaip 4 mln. saulės masių supermasyvi juodoji skylė.
Gravitacinių bangų observatorijos (LIGO/Virgo/KAGRA) atvėrė naują langą stebėti juodųjų skylių susijungimus ir patikrinti reliatyvumo prognozes stiprios gravitacijos srityse.
Event Horizon Telescope suteikė pirmąsias tiesiogines horizonto aplinkos nuotraukas, leidžiančias palyginti teorines modeliavimo prognozes su stebėjimais.

Ką dar nežinome ir kur vyksta tyrimai

Nors bendrosios reliatyvumo ir kvantinės mechanikos taikymas atskirai yra gerai patikrintas, jų sujungimas singuliarumo srityje lieka neišspręstas. Kiekviena iš šių sričių suteikia skirtingus spėjimus apie tai, kas vyksta arti singuliarumo ir kaip tiksliai veikia informacijos likimas, kai objektai krinta į juodąją skylę (informacijos paradoksas). Šiuo metu aktyviai kuriamos kvantinės gravitacijos teorijos (pvz., stygų teorija, kilpinė kvantinė gravitacija), siekiančios išspręsti šiuos klausimus.

Trumpai apibendrinant: juodoji skylė yra ekstremalus erdvės laiko regionas, kurio savybės — įvykių horizontas, singuliarumas, akrecijos diskai, Hawkingo spinduliuotė ir reikšmingas poveikis aplinkai — daro ją vienu iš įdomiausių ir intensyviausiai tirtų objektų modernioje astrofizikoje.

Supermasyvi juodoji skylė supergalaktikos Messier 87, esančios Mergelės žvaigždyne, branduolyje. Ši juodoji skylė buvo pirmoji, kurią pavyko tiesiogiai nufotografuoti (Event Horizon Telescope, paskelbta 2019 m. balandžio 10 d.).

Juodosios skylės gravitacinio lęšio, iškreipiančio galaktikos fone vaizdą, modeliavimas (didesnė animacija)

Istorija

1783 m. anglų dvasininkas Džonas Mičelas (John Michell) rašė, kad gali būti įmanoma, jog kažkas gali būti toks sunkus, kad norint išsivaduoti nuo jo gravitacijos, reikėtų judėti šviesos greičiu. Gravitacija stiprėja, kai daiktas tampa didesnis arba masyvesnis. Kad mažas daiktas, pavyzdžiui, raketa, galėtų pabėgti nuo didesnio daikto, pavyzdžiui, Žemės, jis turi išvengti mūsų gravitacijos traukos arba nukristi atgal. Greitis, kuriuo ji turi kilti aukštyn, kad pabėgtų nuo Žemės gravitacijos, vadinamas pabėgimo greičiu. Didesnės planetos (pavyzdžiui, Jupiteris) ir žvaigždės turi didesnę masę ir jų gravitacija stipresnė nei Žemės. Todėl pabėgimo greitis yra daug didesnis. Džonas Mičelas manė, kad įmanoma, jog kažkas būtų toks didelis, kad pabėgimo greitis būtų didesnis už šviesos greitį, todėl net šviesa negalėtų pabėgti. 1796 m. Pjeras Simonas Laplasas (Pierre-Simon Laplace) tą pačią mintį propagavo pirmajame ir antrajame savo knygos Exposition du système du Monde leidimuose (iš vėlesnių leidimų ji buvo pašalinta).

Kai kurie mokslininkai manė, kad Mičelas gali būti teisus, tačiau kiti manė, kad šviesa neturi masės ir jos netraukia gravitacija. Jo teorija buvo pamiršta.

1916 m. Albertas Einšteinas parašė gravitacijos paaiškinimą, pavadintą bendruoju reliatyvumu.

Dėl masės erdvė (ir erdvėlaikis) išlinksta arba išlinksta. Judantys daiktai "krenta" arba seka erdvės kreivėmis. Tai vadiname gravitacija.
Šviesa visada sklinda tuo pačiu greičiu ir ją veikia gravitacija. Jei atrodo, kad jos greitis keičiasi, iš tikrųjų ji keliauja erdvėlaikio kreive.

Po kelių mėnesių vokiečių fizikas Karlas Švarcšildas, tarnaudamas Pirmajame pasauliniame kare, remdamasis Einšteino lygtimis, įrodė, kad juodoji skylė gali egzistuoti. 1930 m. Subrahmanyanas Chandrasekharas (Subrahmanyan Chandrasekhar) numatė, kad už Saulę sunkesnės žvaigždės gali suirti, kai jose pritrūks vandenilio ar kito branduolinio kuro. 1939 m. Robertas Oppenheimeris ir H. Snaideris apskaičiavo, kad žvaigždė turėtų būti bent tris kartus masyvesnė už Saulę, kad susidarytų juodoji skylė. 1967 m. Džonas Vileris (John Wheeler) pirmą kartą sugalvojo pavadinimą "juodoji skylė". Prieš tai jos buvo vadinamos "tamsiosiomis žvaigždėmis".

1970 m. Stephenas Hawkingas ir Rogeris Penrose'as įrodė, kad juodosios skylės turi egzistuoti. Nors juodosios skylės yra nematomos (jų negalima pamatyti), dalis į jas krintančios medžiagos yra labai ryškios.

Juodųjų skylių susidarymas

Gravitacinis žlugimas

Gravitacinis didžiulių (didelės masės) žvaigždžių kolapsas sukelia "žvaigždinės masės" juodąsias skyles. Žvaigždžių formavimosi metu ankstyvojoje visatoje galėjo susidaryti labai masyvios žvaigždės, kurioms suirus susidarytų iki ¹⁰³ Saulės masių juodosios skylės. Šios juodosios skylės gali būti supermasyvių juodųjų skylių, esančių daugumos galaktikų centruose, užuomazgos.

Didžioji dalis gravitacinio kolapso metu išsiskiriančios energijos išsiskiria labai greitai. Tolimas stebėtojas mato, kaip dėl gravitacinės laiko dilatacijos krintanti medžiaga sulėtėja ir sustoja tiesiai virš įvykių horizonto. Šviesa, išspinduliuota prieš pat įvykių horizontą, vėluoja be galo ilgai. Taigi stebėtojas niekada nemato įvykių horizonto susidarymo. Vietoj to atrodo, kad kolapsuojanti medžiaga tampa vis blankesnė ir vis labiau raudonai pasislinkusi, kol galiausiai išnyksta.

Supermasyvios juodosios skylės

Juodosios skylės taip pat aptiktos beveik visų žinomos visatos galaktikų viduryje. Jos vadinamos supermasyviosiomis juodosiomis skylėmis (angl. supermassive black holes, SBH) ir yra didžiausios iš visų juodųjų skylių. Jos susiformavo, kai Visata buvo labai jauna, ir taip pat padėjo susiformuoti visoms galaktikoms.

Manoma, kad kvazarai yra varomi gravitacijos, kuri surenka medžiagą į SBH tolimų galaktikų centruose. Šviesa negali ištrūkti iš kvazarų centruose esančių SBH, todėl ištrūkusi energija dėl gravitacinės įtampos ir milžiniškos trinties patenkančią medžiagą paverčia už įvykių horizonto ribų.

Kvazaruose buvo išmatuotos didžiulės centrinės masės (^106-109 Saulės masės). Kelios dešimtys netoliese esančių didžiųjų galaktikų, neturinčių kvazarų branduolio požymių, savo branduoliuose turi panašias centrines juodąsias skyles. Todėl manoma, kad visos didžiosios galaktikos turi tokią skylę, tačiau tik nedidelė dalis jų yra aktyvios (su pakankama akrecija, kad galėtų spinduliuoti) ir todėl matomos kaip kvazarai.

Poveikis šviesai

Juodosios skylės viduryje yra gravitacinis centras, vadinamas singuliarumu. Į ją neįmanoma pažvelgti, nes gravitacija neleidžia prasiskverbti jokiai šviesai. Aplink mažytę singuliarumą yra didelė sritis, į kurią įsiurbiama ir šviesa, kuri paprastai praeitų pro ją. Šios srities kraštas vadinamas įvykių horizontu. Už įvykių horizonto esanti sritis yra juodoji skylė. Juodosios skylės gravitacija tolstant silpnėja. Įvykių horizontas yra toliausiai nuo vidurio nutolusi vieta, kurioje gravitacija vis dar pakankamai stipri, kad sulaikytų šviesą.

Už įvykių horizonto ribų šviesa ir materija vis tiek bus traukiama į juodąją skylę. Jei juodąją skylę supa materija, ji aplink juodąją skylę suformuos "akrecinį diską" (akrecija reiškia "kaupimąsi"). Akrecinis diskas atrodo panašiai kaip Saturno žiedai. Įsiurbiama materija tampa labai karšta ir skleidžia į kosmosą rentgeno spinduliuotę. Įsivaizduokite tai kaip vandens sukimąsi aplink skylę prieš įkritimą į ją.

Dauguma juodųjų skylių yra per toli, kad galėtume pamatyti akrecinį diską ir čiurkšlę. Vienintelis būdas sužinoti, kad ten yra juodoji skylė, - stebėti, kaip aplink ją elgiasi žvaigždės, dujos ir šviesa. Netoli juodosios skylės net tokie dideli objektai kaip žvaigždė juda kitaip, paprastai greičiau nei tuo atveju, jei juodosios skylės nebūtų.

Kadangi juodųjų skylių nematome, jas reikia aptikti kitais būdais. Kai juodoji skylė praeina tarp mūsų ir šviesos šaltinio, šviesa išlinksta aplink juodąją skylę ir sukuria veidrodinį atvaizdą. Šis efektas vadinamas gravitaciniu lęšiu.

Dailininko nuotrauka: juodoji skylė nuplėšia išorinį netoli esančios žvaigždės sluoksnį. Ją supa energetinis diskas, iš kurio sklinda spinduliuotės srautas.

Einšteino kryžius: keturi vaizdai iš vieno kvazaro

Hokingo spinduliavimas

Hokingo spinduliuotė - tai juodojo kūno spinduliuotė, kurią skleidžia juodoji skylė dėl kvantinių efektų netoli įvykių horizonto. Ji pavadinta fiziko Stepheno Hawkingo, kuris 1974 m. pateikė teorinį argumentą dėl jos egzistavimo, vardu.

Hokingo spinduliavimas sumažina juodosios skylės masę ir energiją, todėl jis dar vadinamas juodosios skylės garavimu. Taip atsitinka dėl virtualių dalelių ir antikūnių porų. Dėl kvantinių svyravimų tai vyksta tada, kai viena iš dalelių įkrenta, o kita pasišalina su energija / mase. Dėl šios priežasties tikimasi, kad juodosios skylės, kurios praranda daugiau masės, nei jos įgyja kitais būdais, susitraukia ir galiausiai išnyksta. Prognozuojama, kad mikro juodosios skylės (MBH) yra didesnės grynosios spinduliuotės skleidėjos nei didesnės juodosios skylės, todėl jos turėtų susitraukti ir išnykti greičiau.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra juodoji skylė?

Atsakymas: Juodoji skylė - tai erdvės sritis, iš kurios niekas, net šviesa, negali ištrūkti. Ji pradeda egzistuoti, kai erdvėlaikį išlenkia didžiulė masė, ir turi įvykių horizontą, kurio niekas viduje negali palikti.

K: Kodėl juodosios skylės yra juodos?

A: Juodosios skylės yra juodos, nes jos sugeria visą į jas krintančią šviesą ir nieko neatspindi, panašiai kaip tobulas juodasis kūnas termodinamikoje.

K: Kaip žmonės randa juodąsias skyles?

A: Žmonės juodąsias skyles randa stebėdami žvaigždžių, skriejančių kažkur kosmose, judėjimą arba kai dujos, patekusios į juodąją skylę, įkaista ir tampa labai ryškios, o tai galima pamatyti teleskopais Žemėje arba aplink Žemę skriejančiais teleskopais.

Klausimas: Ar yra supermasyvių juodųjų skylių?

A: Taip, astronomai aptiko įrodymų, kad beveik visų galaktikų centruose yra supermasyvių juodųjų skylių. 2008 m. astronomai rado įrodymų, kad netoli Šaulio A* galaktikos dalies, esančios Pieno kelio galaktikoje, yra daugiau kaip keturių milijonų Saulės masių supermasyvi juodoji skylė.

Klausimas: Ar kvantinė mechanika turi įtakos mūsų požiūriui į juodąsias skyles?

Atsakymas: Taip, pagal kvantinę mechaniką juodosios skylės turi temperatūrą ir skleidžia Hawkingo spinduliuotę, todėl jos lėtai mažėja.

K: Kas vyksta juodosios skylės viduje?

A: Juodosios skylės viduje fizikos taisyklės labai skiriasi nuo to, ką mes patiriame čia, Žemėje.

Ieškoti