Įprastas reiškinys neįprastoje vietoje keičia visą mūsų požiūrį į juodąsias skyles: jos darosi vis keistesnės ir keistesnės

Atradimas, jog tokios paprastos, nesisukančios „juodosios skylės turi tokį patį spaudimą kaip ir temperatūrą yra netgi dar labiau jaudinantis, kad tai net buvo visiškas siurprizas,” pareiškė Sasekso universiteto fizikos profesorius ir tyrimo bendraautorius Xavier’as Calmet’as.

Calmet’as ir jo absolventas Folkert’as Kuipers’is nagrinėjo kvantinius efektus vykstančius šalia juodųjų skylių įvykių horizontų, tai, ką velniškai sunku nustatyti. Kad tai išspręstų, tyrėjai pasitelkė techniką palengvinančią skaičiavimus. Dirbant, jų matematiniuose sprendimuose pasirodė keistas reiškinys. Iš pradžių šiek tiek sutrikę, po mėnesio jie suvokė, kad atrado naują terminą: tai buvo juodosios skylės spaudimo išraiška. Anksčiau niekas nenutuokė, kad tai gali būti realu: tai keičia kelią, kuriuo mokslininkai bandė išnagrinėti juodąsias skyles ir jų santykius su visatos atrama.

Hawking’o mechanizmas

1970 m. Hawking’as tapo pirmuoju mokslininku, kuris pritaikė kvantinę mechaniką įvykių horizonto - srities prie juodosios skylės iš kurios negali ištrūkti net šviesa -  procesams paaiškinti, nors anksčiau visi manė, kad juodosios skylės tėra primityvūs objektai. Atsižvelgiant į bendrąjį reliatyvumą, gravitacijos teoriją, kuri pirmoji numatė juodąsias skyles, apskritai nėra ką apie įvykių horizontą ir pažymėti. Įvykių horizontas yra menama riba, iš kurios norint ištrūkti, reikia skrieti greičiau už šviesą. Tačiau, kaip minėta anksčiau, tai tėra menama riba kosmose - jei būtų galima ją kirsti, jūs net nesuvoktumėte, kad tai padarėte, kol nesumanytumėte apsisukti atgal.

Hawking’as apvertė visa tai aukštyn kojomis. Jis suprato, kad šis kvantinis reiškinys nurodantis į dalelių visumą, kuri atsiranda ir išnyksta erdvėlaikio vakuume, gali paveikti įprastą požiūrį į įvykių horizontą. Kartais, pora dalelių spontaniškai pasirodo iš tuštumos, tada anihiliuoja viena kitą sukurdamos energijos blyksnį ir grąžina vakuumą į jo natūralią būseną. Bet kai tai nutinka pernelyg arti juodosios skylės, viena dalelė gali įstrigti įvykių horizonte, kol kita dalelė pasprunka. Tuomet juodoji skylė pabėgusiai dalelei palieka energijos sąskaitą, taigi, ir praranda masę.

Šis procesas žinomas kaip Hawking’o spinduliuotė; jis įrodė, jog juodosios skylės nėra 100% juodos, t. y. šiek tiek švyti. Šis švytėjimas, žinomas kaip „juodojo kūno spinduliuotė,” reiškia, jog jos taip pat turi šilumą, entropiją ir visas kitas savybes, kuriuos priskiriame daug kasdieniškesniems objektams.

Efektyvi technika

Hawking’as susitelkė ties tuo, kaip kvantinė mechanika veikia sritį aplink juodąsias skyles. Tačiau to nepakanka, mat kvantinė mechanika neapima traukos jėgos, o tikslus to, kas vyksta ties įvykių horizontu aprašymas reikalauja kvantinės gravitacijos įtraukimo arba nusakymo, kaip stipri gravitacija veikia itin mažuose masteliuose.

Nuo 1970 daug fizikų mėgino laimę vystant kvantinės gravitacijos teoriją ir panaudojant šią teoriją įvykių horizonto fizikai. Naujausias bandymas tai padaryti ir buvo Calmet’o ir Kuipers’o tyrimas publikuotas rugsėjį žurnale „Physical Review D.”

„Svarbi Hawking’o intuicija, kad juodosios skylės nėra juodos, bet turi spinduliuotės spektrą, kuris yra labai panašus į juodo kūno spektrą, paverčia juodąsias skyles idealia laboratorija tirti sąveiką tarp kvantinės mechanikos, gravitacijos ir termodinamikos,” sako Calmet’as.

Be pilnos kvantinės gravitacijos teorijos, mokslininkai naudojo aproksimacijos techniką vadinamą efektyvaus lauko teorija arba EFT (angl. effective field theory). Ši teorija daro prielaidą, kad kvantiniame lygyje gravitacija yra silpna - prielaidą, leidžiančią padaryti nors kokį progresą, atliekant skaičiavimus ir visko nesugriaunant, be to, kai gravitacija kvantiniame režime yra sumodeliuota kaip itin stipri. Kol šie skaičiavimai neatskleis pilnai tikslaus įvykių horizonto vaizdo, jie gali pateikti ir įžvalgų apie juodąsias skyles viduje.

„Jeigu apsvarstote juodąsias skyles tik per bendrąjį reliatyvumą, gali pasirodyti, kad jos turi singuliarumą savo viduje, kur, kaip mums žinoma, fizikos dėsniai negalioja,” paaiškino Calmet’as. „Tikėtina, kad kai kvantinio lauko teorija yra įtraukta į bendrąjį reliatyvumą, mums galbūt galima rasti naują juodųjų skylių apibūdinimą.”

Štai ir spaudimas

Calmet’as ir Kuipers’as naudodami EFT, tyrė juodųjų skylių termodinamiką įvykių horizonto paviršiuje, kai pastebėjo keistą matematinę išraišką lygtyse. Iš pradžių jie suglumo - nežinojo, ką tai reiškia arba kaip tai interpretuoti. Tačiau tai pasikeitė bendraujant per 2020 m. Kalėdas.

Taigi, jie suvokė, kad išraiška lygtyse reprezentuoja spaudimą. Tokį spaudimą, koks atsiranda pripūstame balione ar jūsų kraujotakos sistemoje.

„Momentas, kuomet mes suvokėme, kad paslaptingasis rezultatas mūsų lygtyse pasakojo mums, jog juodoji skylė kurią mes studijavom turi spaudimą - po mėnesio grūmimosi su tuo, - buvo jaudinantis,” pasakoja Kuipers’as.

Techniškai, spaudimas yra juokingai mažas - 10⁵⁴ kartų mažesnis už žemės atmosferos spaudimą. Tačiau jis egzistuoja. Taip pat jie aptiko, kad spaudimas gali būti teigiamas arba neigiamas, priklausomai nuo kvantinių dalelių mišinio šalia juodosios skylės. Teigiamas spaudimas išlaiko balioną išsipūtusį, kuomet neigiamas spaudimas yra įtampa jaučiama baliono paviršiuje.

Tyrėjų rezultatai tęsia juodųjų skylių kaip termodinaminių objektų, turinčių ne tik temperatūrą ir entropiją, bet ir spaudimą, idėją. Kadangi jų darbas modeliuoja tik silpną kvantinę gravitaciją ir apleidžia stiprią gravitaciją, jis negali pilnai paaiškinti juodųjų skylių elgesio, nors tai yra svarbus žingsnis.

„Mūsų darbas yra žingsnis šios krypties link ir nors mūsų studijuotos juodosios skylės spaudimas yra mažas, faktas, kad jis yra suteikia mums daugybę naujų galimybių, apimančių astrofizikinius tyrimus, dalelių fiziką ir kvantinę fiziką,” teigia Calmet’as.