Әзірге құпиясы ашылмаған сондай таңғажайып құбылыстардың бірі ғарыштағы қара құрдымдар екені даусыз. Назарбаев университетінің Жаратылыстану, әлеуметтік және гуманитарлық ғылымдар мектебінің профессоры Даниэле Малафарина мен оның әріптестері cингулярлық емес қара құрдым мәселесін зерттеп жатыр.
– Қара құрдымдарды зерттеу біздің ғаламның құрылымын түсінуде қаншалықты маңызды?
– Ғаламды физика заңдары басқарады. Оның бірі – ауқымды масштабтарда гравитация қалай жұмыс істейтінін түсіндіретін салыстырмалылық теориясы болса, екіншісі – құбылыстарды бөлшектер деңгейінде сипаттайтын кванттық теория. Қара құрдымдар осы екеуінің түйісер тұсында жатыр. Біз оларды жалпы салыстырмалылық теориясы тұрғысынан қалай сипаттау керектігін білеміз, бірақ ол жеткіліксіз. Сондықтан қара құрдымдардың табиғатын жете түйсіну арқылы біз физика заңдарының құпияларын ашуға қадам жасаймыз, ал бұл ғаламның тұтас құрылымын түсінуге көмектеседі. Ғаламдағы біз бақылайтын құбылыстарды түсіндіру үшін қараңғы энергия немесе қараңғы материя тәрізді белгілі бір концепцияларды білу талап етіледі. Біз бұл компоненттердің математикалық модельдерде қалай әрекет ететінінен хабардармыз, бірақ олардың нендей зат екені әлі күнге белгісіз. Қара құрдымдар жайлы жаңа білім бізге осындай құпиялардың болмысын ұғынуға септеседі.
– Сіз жалпы салыстырмалылық теориясы үлкен масштабтағы гравитацияны түсіндіретін іргелі теория екенін айттыңыз. Оқырманның бәрі физик емес, әуелі осыны қысқаша түсіндіріп өтіңізші.
– Оның маңызын мынадай негізгі идеялар арқылы түсіндіріп кетуге тырысайын: Ньютон теориясы гравитацияны өте тамаша сипаттайтын, бірақ оның кемшін тұстары болды. Басты кемшілік – гравитацияның шексіз жылдамдықпен таралуы еді. Ньютонға сүйенсек, егер массалар осы жерде қозғалса, кез келген қашықтықтағы гравитациялық өріс сол мезетте-ақ өзгереді. Бірақ бұл интуицияға қайшы: себептер салдарға ұласуы керек, сондықтан бұл жердегі массалардың қозғалысы алыстағы жерлерге белгілі бір уақыттан соң ғана ықпал етуге тиіс.
ХІХ ғасырдың соңына таман Максвелл электромагнетизм теориясын жасап шығарды: онда электромагниттік өріс ақырғы жылдамдық – с жарық жылдамдығымен таралады, бұл – барлық бақылаушы үшін бірдей. Бұл тұжырым Ньютон теориясымен қабыспайды. Ньютонға салсақ, Боб орындықта отырып, Алисаның көлікте v жылдамдықпен жүйткіп бара жатқанын көрсе, Алиса көлік шамын жаққанда, Боб v+c жылдамдықпен қозғалып бара жатқан жарықты көруі керек еді. Ал Максвелдің айтуынша, Боб үшін де, Алиса үшін де жарық жылдамдығы біп-бірдей – с. Максвелдің ойы дұрыс болып шықты.
Бұл жаңалық Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясын (АСТ) ойлап табуына түрткі болды. Ол бақылаушыларды байланыстыратын, бірақ гравитацияға қатысы жоқ заңдылықтарды өзгертті. Әйткенмен арнайы салыстырмалылық теориясы гравитация және оның таралу күшімен онша үйлеспейтіні бірден белгілі болды. Сол себепті Эйнштейн арнайы салыстырмалылық теориясын гравитация заңымен біріктіретін жалпы салыстырмалылық теориясын (ЖСТ) құрастырды. Соның нәтижесінде, Ньютон заңын әлдеқайда күрделірек етіп ауыстыруға тура келді. Сондай-ақ Эйнштейн өз теориясында гравитация күші жарық жылдамдығымен таралатынын және Максвелл айтқандай, оның барлық бақылаушы үшін бірдей екенін анықтады. Осылайша, оның теориясы Ньютон теориясын алмастырды.
Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясында гравитация күш емес. Денелер үнемі екі нүкте арасындағы ең қысқа жолмен қозғалады, бірақ кеңістік қисық болғандықтан, бұл жолдар тік емес. Кеңістіктің қаншалықты қисаюы материялардың (мысалы, планеталардың) орналасуына байланысты. Материя қозғалғанда (көз алдыңызға жайма бетіндегі допты елестетіңіз), кеңістіктің қисықтығы да өзгереді және бұл өзгерістер жарық жылдамдығымен таралады.
Үлкен масштабтағы денелердің (планета, жұлдыз, галактика) қозғалысы гравитацияға байланысты. Өйткені олардың массасы тек оң мәнге ие және мықты гравитациялық өрісті қалыптастырады. Электромагниттік күштер гравитациядан қуаттырақ болғанымен, оң және теріс зарядтар есебінен бірін-бірі бейтараптандыра алады. Сондықтан біз Жердің үстінде қуатты электромагниттік өрісті сезбейміз, бірақ гравитацияны сеземіз.
Аса ірі масштабтағы құбылыстарды (Күн жүйесін, галактиканы және бүкіл ғаламды) тереңірек түсінуде алғашқы қадам ретінде гравитацияға үлкен маңыз беру керек. Әдеттегі жағдайларда Ньютон теориясы жеткілікті болғанымен, материя тығыздығы өте жоғары (қара құрдымдағыдай) болған кездерде немесе гравитацияның ақырғы жылдамдығын қарастыру қажет шақтарда жалпы салыстырмалылық теориясын қолданбау мүмкін емес.
– Сіз сингулярлық емес қара құрдым моделін ұсындыңыз. Оның ерекшелігі неде? Жалпы, сингулярлық пен сингулярлық емес ұғымдарының айырмашылығы қандай?
– Әріптестерімізбен бірлесіп ұсынған идеямыздың жаңалығы сонда – біз сингулярлыққа алып бармайтын гравитациялық коллапс моделін жасадық. Сингулярлыққа негізделген идея 60 жылдан аса уақыттан бері өмір сүріп келе жатса, сингулярлық емес қара құрдым модельдері 1980-ші жылдардан бастап ұсынылуда. Алайда қара құрдымдар коллапс нәтижесінде қалай пайда болатыны туралы модельді әбден орныққан теорияға сүйеніп әзірлеу өте қиын. Асимптоматикалық қауіпсіздік гравитациясы теориясы аясында біз дәл осыған қол жеткіздік.
Сонау 30-жылдары Оппенгеймер мен Снайдер ұсынған классикалық модель көрсеткендей, қара құрдымдар жалпы салыстырмалылық теориясы аясында қалыптаса алатын. Дәл осы модель ғаламда қара құрдымдардың бар екені жайлы идеялардың негізіне айналды. Оған сәйкес, материя гравитацияның әсерінен қара құрдым деңгейіне дейін кішірейе алатын. Егер жалпы салыстырмалылық теориясында сипатталған гравитация ғана бар деп есептесек, онда ол үнемі тартады да тұрады, ал массалар бір-біріне қарай қозғалады және материяның орталық нүктеге сығымдалуын ештеңе де тоқтата алмайды. Материя сығымдалғанда, оның жылдамдығы да, тығыздығы да арта береді. Ақыр аяғында ол нөлдік көлемдегі және шексіз тығыздықтағы (бірақ ақырғы массаға ие) нүктеге сығымдалғанда, сингулярлық пайда болады.
Ал біздің моделіміз бойынша материя тығыз бола түскен сайын гравитация да әлсірей береді, сол себепті материя өз салмағы ықпалынан сығымдалғанда, гравитация күші азайып, сығымдалу жылдамдығы баяулайды. Соның арқасында тығыздық мәңгілікке ақырғы болып қалады да, ал объект кішіреюді жалғастыра береді, бірақ ешқашан нөлдік көлемге жетпейді. Осылайша, сингулярлық белгісіз бір мерзімге дейін (асимптоматикалық деуге болады) кешеуілдейді. Асимптоматикалық қауіпсіз гравитация төмен тығыздықта жалпы салыстырмалылық теориясын еске түсірсе, жоғары тығыздықтарда мүлдем басқаша.
– Асимптоматикалық қауіпсіз гравитация қалай жұмыс істейді және бұл теорияны негіздейтін құбылысты айтып өтіңізші.
– Жалпы салыстырмалылық теориясы метагалактикадан (миллиардтаған жарық жылы) бастап, галактикалық шоғырларға (миллиондаған жарық жылы), галактикаларға (мыңдаған жарық жылы), жұлдыздар мен планеталар жүйесіне (бірнеше жарық жылы) және тіпті қара құрдымдарға (бірнеше шақырым) дейінгі ауқымдағы құбылыстарды түсіндіруге әбден қауқарлы. Осы тұста бір сұрақ туады: бұл теория «сүріну» үшін қашықтық қаншалықты кішкентай болуы керек?
Эйнштейн үшін де, Ньютон үшін де қашықтық артқан сайын гравитация күші азая береді. Бірақ егер қашықтық азая берсе, жалпы салыстырмалылық теориясындағы гравитация күші теориялық тұрғыда шексіздікке бағытталады. Бұл – проблема. Демек, өте кішкентай масштабтарда (протонның көлемінен әлдеқайда кіші) гравитацияның әрекетін түсіндіретін басқа теория болуы керек.
Ұсынылған осындай теориялардың бірі – асимптоматикалық қауіпсіздік теориясы. Ол үлкен қашықтықтарда және тіпті протон сияқты бөлшектер деңгейінде ЖСТ секілді жұмыс істейді. Бірақ қашықтық нөлге жақындағанда, ондағы гравитация ЖСТ-дағыдай шексіздікке емес, нөлге бағытталады. Бұл құбылыс осы теорияны негіздеп тұр.
Алайда бұл асимптоматикалық қауіпсіздік теориясы дұрыс деген сөз емес. Басқа да әдістер бар. Мұндағы мәселе – дәл қазір бізде бұл теорияларды тексеріп көруге мүмкіндік беретін эксперименттер жоқ, өйткені соншалықты кішкентай масштабтарды зерттеу өте қиын.
– Сіздің зерттеулеріңіз қара құрдымның оқиғалар көкжиегі жайлы түсінігімізді өзгерте ме? Жаңа модельдің дұрыс-бұрыстығын тексеріп көруге бола ма?
– Қара құрдымдардың бір ғажап ерекшеліктерінің бірі – оның орталық нүктесінде болған құбылыстар оқиғалар көкжиегіне әсер етеді. Яғни, асимптоматикалық қауіпсіздік гравитациясы теориясы негізінде жұлдыз коллапсының соңында болған өзгерістер қара құрдымның көкжиегін өзгертеді. Әзірге бұл өзгешеліктердің қалай көрініс табатыны және оларды анықтауға болатын-болмайтыны (тым болмағанда теория жүзінде) белгісіз. Мен айтып отырған ерекшеліктер мынау: қара құрдым көкжиегінің орналасқан орны сәл-пәл өзгеруі мүмкін; қара құрдым оншалықты қара болмауы да мүмкін, яғни оның кейбір бөлшектері жоғалуы мүмкін (Хокинг сәулеленуіне ұқсас жолмен, бірақ одан гөрі жылдамырақ әрі анығырақ); сондай-ақ қара құрдым көкжиегінің «өмір сүру» шегі болуы мүмкін, бұл қара құрдымның ғайып болуына алып келеді. Бұл құбылыстардың бәрін бақылау үшін көкжиек маңында қозғалып жүрген бөлшектерді зерттеу керек. Жақында Event Horizon телескопы екі алып қара құрдым айналасындағы газ дискіден шыққан жарықты суретке түсірді. Сондықтан болашақта мұндай өлшемдер асимптоматикалық қауіпсіздік гравитациясы секілді теорияларды тексеруде қолданылуы мүмкін деген үміт бар.
– Қара құрдымдар мәңгілік пе? Әлде олардың да ғұмыры бір күні тоқтай ма?
– Жалпы салыстырмалылық теориясы аясында қара құрдымдар мәңгілік болып саналады. Оқиғалар көкжиегі қалыптаса салысымен, ол үлкейе береді де, мәңгі ғұмыр кешеді. Алайда Стивен Хокинг бізге кванттық әсер себебінен қара құрдымдар бірте-бірте ғайып болатынын және олардың ғұмыры шектеулі екенін көрсетті. Әр теорияда қара құрдымның «тағдыры» да әртүрлі өрбиді. Бүгінде бұл сценарийлердің қайсысы дұрыс екенін нақты білмейміз, өйткені бұл бүгінде ғалымдар әзірлеп жатқан гравитацияның жаңа теориясындағы ерекшеліктерге байланысты.
– Екі қара құрдым соқтығысса не болады?
– Қара құрдымдардың соқтығысуы туралы зерттеулер көп жылдан бері жүргізіліп келеді, мұндай соқтығысулар он жыл бұрын гравитациялық толқындар көмегімен тіркелді. Жалпы салыстырмалылық теориясы аясында бір-біріне жақындап келе жатқан екі қара құрдым гравитациялық толқындар арқылы энергиясын жоғалтады да, соқтығысқаннан кейін бір қара құрдымға айналады.
– Қара құрдымдардың «мини-нұсқалары» бар ма? Егер болса, оларды Жерде жасап шығаруға бола ма және оның салдары қандай болмақ?
– Қазір астрофизикалық объектілердің массасынан ерекшеленетін «мини» қара құрдымдардың бар екені туралы ешқандай дәлел жоқ. Бәлкім, мұндай қара құрдымдар ғаламның ерте кезеңінде қалыптасқан болуы да мүмкін, бірақ бүгінде олардың өмір сүруіне кедергі келтіретін себеп көп. Тіпті, теориялық тұрғыдан алғанда, мұндай «мини» қара құрдымдар бөлшектердің соқтығысуынан пайда болған күннің өзінде егер біздің теорияларымыз дұрыс болса, онда көзден тез ғайып болып, оны байқау да мүмкін болмас еді.
– Қара құрдымдар жұлдыздарды, планеталарды немесе тіпті бүкіл галактикаларды «жұта ала» ма? Бұл қаншалықты жиі кездеседі?
– Қара құрдымдар – алып объектілер және олар ғарыштағы басқа да кез келген алып объектілер секілді әрекет етеді. Яғни, сіз одан жеткілікті қашықтықта тұрсаңыз, планеталар Күнге құлай алмайтыны сияқты, сізге де қара құрдымға құлау қиынға түседі. Планеталар мен жұлдыздар айтарлықтай алыс қашықтықта болса, қара құрдымның айналасында айналып жүруі мүмкін. Қара құрдымның гравитациясы объектінің энергиясына қарамастан оның «қашып құтылуына» мүмкіндік бермейтіндей жақын қашықтықта болғанда ғана «жұтылып» кетуі мүмкін. Мысалы, Күннің массасымен бірдей қара құрдымның көкжиегі – шамамен 3 шақырым. Оған жұтылу үшін объект 10 шақырымнан да жақынырақ қашықтықта болуы керек.
Кейде объектілер (жұлдыздар мен планеталар, бірақ галактикалар емес) қара құрдымға жақын келіп, жұтылып кетіп жатады. Әдетте олар қара құрдымға тіке емес, дөңес траектория жолымен құлайды. Бұл объектілердің өлшемі қара құрдымға барар жолда өзгереді. Объект қара құрдымға ең таяу нүктеге келген кезде оның массасының бір бөлігі – гиперболалық орбитаға, ал көп бөлігі қара құрдымға құлайды. Галактикалар тым үлкен болғандықтан, бұлай жұтылмайды. Салыстыру үшін айтсақ, ең үлкен қара құрдымдардың көкжиегі Күн жүйесінің өлшемімен бірдей, яғни бірнеше жарық күнін құрайды. Ал Құс жолы тәрізді әдеттегі галактикалардың диаметрі шамамен 100 мың жарық жылына тең.
– Демек, Жердің бір кездері қара құрдымға жұтылып кету ықтималдығы нөлге тең десек болады екен ғой?!
– Иә, бұл жағынан ешқандай қауіп жоқ. Бізге ең жақын қашықтықта жатқан қара құрдымдар көкжиегінің радиусы бірнеше шақырым ғана. Айтып өткенімдей, оның бірі Жерге қауіп төндіре алуы үшін бірнеше шақырым қашықтыққа дейін жақындап келуі тиіс. Мұндай құбылыстың болу ықтималдығы да өте аз: біз Күн жүйесі арқылы өтетін жұлдыздарды (жұлдыздар қара құрдымдардан әлдеқайда көп) көрмейтініміз секілді, Күнмен гравитациялық өзара ықпалдастығымыз оларды жеткілікті қашықтықта ұстап тұрады.
– Қиялға ерік беріп көрелік. Қара құрдымдар ғаламның басқа бұрыштарына немесе басқа өлшемдерге апаратын «портал» болуы мүмкін бе?
– Жоқ, қара құрдымдар ешқандай «портал» рөлін атқармайды. Мұндай порталдар себептілік ұғымына нұқсан келтірер еді, ал бізде ғалам себеп-салдарлық байланысты жоятыны туралы ешқандай дәлел жоқ.
– Фильмдерде (мысалы, «Интерстелларды» айтсақ болады) қара құрдымдар қаншалықты дұрыс сипатталады? Олар жайлы қандай көріністер ғылыми тұрғыда ақиқат, ал қайсысы ойдан шығарылған?
– «Интерстеллар» фильміндегі қара құрдымның сыртқы көрінісі өте дәл берілген, өйткені оның моделін Нобель сыйлығының лауреаты Кип Торн мен оның әріптестері құрастырған. Қара құрдымның бұл суреті жалпы салыстырмалылық теориясы теңдеулерін қолдана отырып алынған және оның сыртқы сипатына қатысты барлық аспекті де осы теорияға сәйкес келеді. Біз қара құрдым көкжиегінің ішінде не болатынынан бейхабармыз, сондықтан фильмдегі басты қаһарманның көкжиекке енген сәтінен кейінгі көріністер толықтай ойдан шығарылған. Өкінішке қарай, фильмдердің көпшілігі сюжетті қызық ету үшін физика заңдарын бұрмалап беруді жөн көреді, ал бұл құбылыстардың ғылыми тұрғыдан дұрыс сипатталмауына алып келеді. Басынан аяғына дейін физика заңдары (тіпті осы фильм үшін ойлап табылған заңдар болса да) қатаң сақталатын ғылыми-фантастикалық фильмдерді көргім келеді, бірақ әлі мұның бірде-бірін көрмедім. «Интерстеллардан» бөлек, ғылыми фактілерді салыстырмалы түрде дұрыс берген фильмдердің қатарына «Гравитация» мен «Марсианинді» жатқызар едім, бірақ оларда да бұрмалаушылықтар бар.
Фильмдерде ең жиі кездесетін мифтердің бірі – жарық жылдамдығынан асып кететін жылдамдық. Біз білетін физика заңдары бойынша бұл мүмкін емес және себептілік ұғымымен байланысты басқа да кедергілер бар болғандықтан да ол тап-таза миф. Екіншісі – үдеуге қатысты. Ғарышта ауа кедергісі жоқ, сондықтан ғарыш кемелері аспандағы ұшақтар секілді бұрыла алмайды (барлық дерлік фильмде осы қателік кездеседі). Сондай-ақ экзопланеталар фильмдерде көрсетілгеннен гөрі әлдеқайда көбірек әралуандыққа ие. Мысалы, Марстағы атмосфераның сұйықтығы соншалық, «Марсианиндегідей» заттарды құлатып-төңкеретіндей жел тұрмайды. Тағы бір айта кетерлігі, ғарышта от жоқ.
– Әңгімеңізге рақмет!
Сұхбаттасқан
Ботагөз МАРАТҚЫЗЫ