Даниэле Малафарина, профессор: Қара құрдымдар физика заңдарының құпиясын бүгіп жатыр

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