Astrofizikadagi kompakt ob`ektlar va Gravitatsion to`lqin tarixi

1.2. Astrofizikadagi kompakt ob`ektlar va Gravitatsion to`lqin tarixi.
Astrofizikadagi kompakt ob`ektlar – oq mittilar, neytron yulduzlar va qora tuynuklar. Zamonaviy relyativistik kosmologiyada materiyaning yangi formalari: qorong’i materiya va qorong’i energiya. Hozirgi etapda koinotning tezlanish bilan kengayishi. Qo`shaloq qora tuynuklar evolyutsiyasi va qo`shilishi: GW150914 ob`ektining gravitatsion to`lqinlar orqali ilk bor qayd etilishi.
Qora tuynuklar-bu fazo-vaqtning shunday soxasiki, kuchli gravitatsion maydon hisobiga u erni xatto yorug’lik tezligida xarakatlanuvchi zarralar, shuningdek yorug’lik kvantlari ham tark eta olmaydilar. Ushbu sohaning chegarasi xodisalar gorizonti deb ataladi, uning o`lchami esa gravitatsion radius deyiladi. eng sodda holda – sferik-simmetrik qora tuynuklar uchun ushbu o`lcham Shvartsshil’d radiusiga teng. Nazariy jixatdan bunday ob`ektlarning mavjudligi eynshteyn tenglamalarining ba`zi aniq echimlari tomonidan kelib chiqadi. Bunday echimlarning birinchisi Karl Shvartsshil’d tomonidan 1915 yili topilgan.
Zamonaviy fan bizga so`nuvchi massiv yulduzlar bilan bog’liq ko`pgina hayratomus hodisalarni tanishtiradi. Ularni million yillar davomida saqlab kelgan yonilg’isining etarli bo`lmay qolishi bilan yulduz ortiq muvozanat holatini saqlab qola olmaydi va o`z og’irligi ta`sirida markazi tomon siqiladi, ya`ni kollapsga uchraydi. Inson hayotiga o`hshab yulduzlar ham o`zining yashash tsikliga ega. Ular chang bulutlarida tug’iladi, o`sadi va million yillar yorug’lik sochib parlanadi va o`ladi. YUlduz o`zining dastlabki bosqichlarida hosil bo`lgan vodoroddan, keyin bosqichlarda geliydan va nihoyat og’ir elemenlardan iborat ichki yonilg’isi xisobiga yorug’lik sochadi. Har bir yulduz o`zining markazga tortuvchi gravitatsiyasi va unga qarama qarshi yo`nalishlardagi ichki bosim kuchlari bilan muvozanatga ega. Bu muvozanat yonilg’i temirga aylanadigan vaqtgacha saqlanadi. Gravitatsiya bosim kuchlaridan kattalashadi va yulduz siqila boshlaydi.
Ma`lumki, yulduz energiya zahirasi juda katta bo`lishiga qaramay bu energiya vaqt o`tishi bilan bosqichma-bosqich yaroqsizlashib boradi. YUlduzlar xuddi insonlarga o`hshab yashaydi, qariydi va o`ladi. Ularning yashash vaqti- paydo bo`lganidan to yadro yonilg’i resurslari yulduz bo`lib nur sochib turishiga etarli bo`lmay qolishigacha bo`lgan vaqtdir. Bu vaqt har bir yulduzning massasiga bog’liqdir. Xususan, eng yaqin yulduz- bu 5 milliard yillardan beri yadro sintezi jarayoni hisobiga hozirda o`zining aktiv bosqichida bo`lgan Quyoshdir va uning yonilg’i zahirasi yana 5 milliard yilga etadi. Quyosh o`z yonilg’isini sarflab tugatayotgan bosqichda o`zining gravitatsiyasi hisobidan Er sayyorasi o`lchamidan katta bo`lmagan o`lchamgacha siqiladi. Bunda u xosil bo`lgan elektron gaz bosimi bilan muvozanatlashgandan so`ng siqilishdan to`htab oq karlikka aylanadi. Massasi Quyosh massasidan 3-5 marta katta bo`lgan YUlduzlar o`z umrini boshqacha-neytron yulduzlarga aylangan holda yakunlaydi, bunda gravitatsiya shunday kuchliki elektronlarni atom yadrosiga joylashtiradi. endi ichki bosim kuchi elektron gaz bosimi emas balki neytronlar bosimi xisobiga gravitatsiya kuchlarini muvozanatlaydi va 10 km gacha siqilib boradi.
Yanada og’irroq va ko`proq vodorod yonilg’i zahirasiga ega bo`lgan yulduzlar kuchli gravitatsiya kuchlari ta`siri ostida tez yonadi va yashash vaqti ham qisqa bo`ladi. Massasi jihatdan yirik bo`lgan yulduzlar tom ma`noda bir necha million yil davomida “yonib turadi”, mayda yulduzlar esa yuzlab milliard yillar davomida “yashaydi”. SHunday ekan, bu ma`noda bizning Quyosh “mustaxkam o`rta” likka kiradi.
Nazariy jihatdan yulduzlar dastlabki massalariga bog’liq holda uch hil ko`rinishda hayotini yakunlaydi: 1. Agar yulduz yadrosining dastlabki massasi Chandrasekar chegarasi deb ataladigan (tahminan) 1.4 Quyosh massasidan kichik bo`lsa qisqa vaqt qizil gigant holatidan keyin oq karlikka aylanadi. Oq karlik holida bir kecha million yillar yashab sovuq qora karlikka, ya`ni haqiqiy kosmik o`lik jism- yulduzning murdasiga aylanadi. 2. Agar yulduzning dastlabki massasi Chandrasekar chegarasidan oshib Volkov chegarasi deb ataladigan tahminan 2-3 Quyosh massasidan katta bo`lsa, yadro yonilg’isining asosiy qismi kamayishidan keyin elektron gazning bosimi qarshilik qila olmagach gravitatsiya kuchlari ta`siri ostida tashqi qatlami yulduzning markaziga tushadi. Buning natijasida yulduz hajmi 100000 marta kamayadi, uning o`rtacha zichligi shuncha marta ortadi, radiusi esa atigi 10km atrofida bo`ladi. Deyarli shu bilan birgalikda yulduzning ustki qatlami portlash natijasida 10 000 km/s tartibidagi katta tezlik bilan har tomonga otilib ketadi. Bu hodisa markazida neytron yulduz hosil bo`lishi bilan yakunlanuvchi o`ta yangi yulduzning portlashidek kuzatiladi. Bu Xitoy va YApon tarixida aytib o`tilgan 1054 yilda xozirda markazida neytron yulduz joylashgan Kraborid tumanligi o`rnida yorqin yulduz kabi yarqirab, ikki hafta davomida hattoki kunduzlari ham ko`rinib turgan. 3. Kollapsga uchrayotgan yulduzning massasi kandaydir kritik qiymatdan katta bo`lsa (3 Quyosh massasidan) gravitatsiya shunchalik katta bo`ladiki buni hech narsa to`htata olmaydi. Gravitatsiya kuchlari yulduzni tashkil qiluvchi moddalarni shunday siqib boradiki bunda yulduz o`lchami eng kichik o`lchamgacha kichrayadi. Bu uchala kompakt ob`ektlar oddiy yulduzlardan ikkita fundamental belgi bilan farqlanadi. Birinchidan, yadro yonilg’isini sarflab ular gravitatsion kollapsga termodinamik bosim hisobidan qarshilik ko`rsatadi. Oq karliklar gravitatsion kollapsga elektron gaz bosimi bilan qarshilik qiladi, neytron yuduzlar- neytronlar bosimi bilan. Qora tuynuklar esa- o`zining gravitatsiya kuchlariga qarshilik qila olmasdan yanoga bir nuqtagacha siqilib borgan. Uchala kompakt ob`ektlar Koinotning yoshi tartibidagi davrda turg’un ob`ektlar hisoblanidi. Ularni yulduzlarning eng oxirgi bosqichidagi ob`ekt deb hisoblash mumkin. Ikkinchi farqi- oddiy o`zlarining massasi tartibidagi yulduzlarning o`lchamlariga nisbatan ancha kichikligidir.
Bu uchala kompakt ob`ektlar oddiy yulduzlardan ikkita fundamental belgi bilan farqlanadi. Birinchidan, yadro yonilg’isini sarflab ular gravitatsion kollapsga termodinamik bosim hisobidan qarshilik ko`rsatadi. Oq karliklar gravitatsion kollapsga elektron gaz bosimi bilan qarshilik qiladi, neytron yuduzlar- neytronlar bosimi bilan. Qora tuynuklar esa- o`zining gravitatsiya kuchlariga qarshilik qila olmasdan yanoga bir nuqtagacha siqilib borgan. Uchala kompakt ob`ektlar Koinotning yoshi tartibidagi davrda turg’un ob`ektlar hisoblanidi. Ularni yulduzlarning eng oxirgi bosqichidagi ob`ekt deb hisoblash mumkin. Ikkinchi farqi- oddiy o`zlarining massasi tartibidagi yulduzlarning o`lchamlariga nisbatan ancha kichikligidir.
1.2.1-chizma. Qora tuynuklarning rasmlari.
Bu uchala yulduzlarning oxirgi bosqichidagi ob`ektlardan eng birinchi bo`lib oq karliklar astronomik kuzatishlar natijasida topilgan. Oq karlik tajribada astronomlar bunday yulduz qanday qilib nur sochib turishini tushinidan oldin topilgan. 1914 yili amerikalik astronom Adams osmonimizdagi eng yorqin yulduz bo`lgan Siriusning yo`ldoshi Sirius V ning spektrini analiz qilayotib yuqori haroratga - Sirius yulduzining haroratiga yaqin haroratga ega va massasi Quyosh massasi tartibida bo`lsa ham radiusi Yer radiusidan kichik degan hulosaga keladi.
Neytron yulduzlari tarixi esa aksincha, 1934 yil Baade va Tsvikki neytron yulduzlar –yuqori zichlikka, kichik radiusga va boshqa oddiy yulduzlarga nisbatan kuchli gravitatsiyaga ega bo`lgan yulduzlar g’oyasini taklif qiladi. Neytron yulduzlar aslida astronomlar tomonidan kashf etilgunga qadar nazaraiyotchilar tomonidan bir asr oldin qalam uchida kashf qilingan. Ularning astronomik kuzatuvlarda topilishi bunchalik kechikishining sababi tez oradi to`liq tushinarli bo`ldi. Agar kosmik jismning radiusi 10km bo`lsa hattoki ungacha masofa eng yaqin yulduzgacha (Quyoshdan tashqari ) masofaga (10 yorug’lik yili) teng bo`lsa ham uni eng qudratli teleskop yordamida ham kuzatish mumkin emas. Va hattoki neytron yulduzgacha masofa mumkin qadar kichik bo`lsa ham! Bundan kelib chiqadiki neytron yulduzlarni optik usullar bilan kuzatishlar muvofaqqiyatga uchraydi. Va birdan kutilmagan narsa sodir bo`ldi: neytron yulduzlari topildi. Ular tamoman qidirilmagan joydan, izlamagan odamlar tomonidan topildi. 1968 yil fevralida mashhur Nature ilmiy jurnali sahifalarida taniqli ingliz astronomi X’yush va uning hamkasblari tomonidan pulsardarning kashf etilishiga bag’ishlangan maqola paydo bo`ladi. Astronomiyaning XX asrdagi eng buyuk kashfiyoti 1967 yil Kembridje Universiteti Mallard radioastronomik observatoriyasida Djoselin Bell tomonidan ochilgan tez aylanuvchi neytron yulduzlar-pulsarlarning kashf etilishi bo`lgan. Bu pulsarlar radio diapozonda urganilgan. Ularning ochilishi sharafiga Bell, entoni X’yushlarga 1974 yil Nobel mukofoti berildi. Hozirgacha 2000 ga yaqin pulsarlar ma`lum, keyinchalik pulsarlar rentgen diapozonida va keyinroq faqat shu diapozonda ko`rinadigan gamma-pulsarlar ham aniqlandi.
Yulduzni shunday radiusgacha siqib boramizki, bunda undan fazoga yorug’lik tarqilmaydi. Bu radius SHvartsshil’d radiusi deyiladi. Quyosh uchun bu 3 km atrofida. Agar Quyosh ham 3 km va undan kichik o`lchamgacha siqilsa yorug’lik nurlari Quyosh tashqarisiga chiqa olmaydi. Qora tuynukga aylangan osmon jismlari Koinotda yo`qolib ketmaydi. U o`zi haqida tashqi olamga o`zining gravitatsiyasi hisobidangina ma`lumot beraldi. Qora tuynuk yaqinidan o`tgan yorug’likni yutadi (u SHvartsshil’d radiusidan kichik masofalargacha yaqinlashsa) va yonidan o`tayotgan nurlarni sezilarli masofalargacha og’diradi.
O`ta og’ir yulduzlar oq karlik ham neytron yulduz ham bo`la olmaydi, chunki ularning ichki bosimlari gravitatsiyani kompensatsiya qilishga etarli emas. Hattoki boshqacha ko`rinishdagi bosimlar kuchga kirgan taqdirda ham gravitatsion kollaps baribir qaytmas bo`lib qolaveradi. Gravitatsiya hal qiluvchi kuch bo`ladi, natijada yulduzning yakuniy holati (hodisalar gorizonti bilan o`ralgan singulyar nuqta) faqtgina eynshtneytnning gravitatsiya nazariyasi yordamida yoritiladi. SHunday qilib, qora tuynuklar Koinotdagi jumboqli xususiyatga ega bo`lgan sirli ob`ektlardan biri. Ma`lumki, qora tuynuk fazo-vaqt sohasi deyiladi, gravitatsiya maydoni shunchalik kuchliki, hattoki yorug’lik ham bu sohani tashlab chiqib keta olmaydi. Bu jism o`lchami uzining gravitatsion o`lchamidan kichik bo`lganda sodir bo`ladi. Gravitatsion radius Quyosh uchun 3km, Er uchun esa 9mm otrofida. A. eynshtenning umumiy nisbiylik nazariyasi qora tuynuklarning ajabtovur xususiyati-qora tuynuk uchun muhim bo`lgan xodisalar gorizonti mavjudligini ko`rsatadi. Qora tuynuk xodisalar gorizonti ichkarisi tashqi ko`zatuvchiga ko`rinmaydi, xamma jarayonlar xodisalar gorizonti tashqarisida sodir bo`ladi. SHu sababdan, xodisalar gorizontiga erkin tushayotgan fazogir extimol tamoman boshqa Koinotni va hattoki o`z kelajagini ham ko`rishi mumkin. Bu shuni bildiradiki, qora tuynuk ichkarisida fazo va vaqt koordinatalari o`z o`rnini almashtiradi va biz qora tuynuk ichida (xodisalar gorizonti ichkarisida ) fazo bo`yicha emas balki vaqt bo`yicha sayohat qilamiz.
Qora tuynuklarning bunday g’ayri oddiy xususiyati ko`pchilikka shunchvki fantastika bo`lib tuyiladi va ularning mavjudligiga shubha paydo bo`ladi. Ammo shuni ta`kidlash joizki, eng yangi kuzatuv ma`lumotlariga ko`ra qora tuynuklar haqaqatan ham mavjud. Masalan, XXI asr bo`sag’asida bizning galaktikamiz markazizda o`ta og’ir, massasi 4 million Quyosh massasiga teng bo`lgan qora tuynuk mavjudligi topildi. Bu- qora tuynuklar va ularning xususiyatlari izlanishidagi yangi bosqich keldi va yaqin kelajakda ushbu sohada ilmiy tadqiqotlar sezilarli darajada rivojlanishga erishishimizga olib kelishi kerak degani.
SHu o`rinda birinchi navbatda mashhur fizik, astrofizika va nazariy fizika sohasida ko`pgina yorqin ishlar muallifi, bir vaqtlar Isaak N’yuton va Pol’ Diraklar raxbarlik qilgan Kembridje Universiteti kafedrasi a`zosi Stiven Xokingni ta`kidlab o`tish joiz. Uning izlanishlarining asosiy ob`ekti bu qora tuynuklar fizikasidir. Uning asarlari orasida “Vaqtning qisqacha tarixi” kitobi eng sodda tilda fizikaning qiyin va dolzarb muammolarini hammaga tushinarli qilib yozilgan. Bu Xoking haqida hammasi emas. U juda og’ir kasal bo`lib uning xozirda faqatgina ikkita o`ng qo`l barmoqlari harakati saqlab qolingan va oxirgi 30 yil davomida gapirishdan ham mahrum bo`lgan. U atrofidagilari bilan nutq sinezatori va komp’yuter yordamida gaplashadi. SHunga qaramasdan u foal va dohiyona ilmiy izlanishlar olib bormoqda.
1974 yilda Stiven Xoking qora tuynuklar atrofida vakuumdan zarralarning paydo bo`lishi ko`rib chiqadi. Uning hisoblashlari shuni ta`kidlaydiki aylanuvchi qora tuynuklar nurlanadi va bu qora tuynuk aylanishini sekinlashtiradi. Bu nurlanish spektri issiqlik nurlanishiga mos kelishi aytib o`tadi. Biroq natijalar yarim klassik usulda olingan, aslida gravitatsiya maydoni umumiy nisbiylik nazariyasi tenglamalari bilan, qora tuynuk yaqinidagi vakuum kvanlangan maydon nazariyasi bilan yoritilishi kerak. Ko`pchilik olimlar Xoking ikkita nazariyani birlashtirib xatoga yo`l quydi deb xisoblashadi. Uning qora tuynuklar uchun oldin qabul qilingan barcha qonunlarni buzadi. Keyinroq esa Xoking haq bo`lib chiqadi va uning natijalari egrilangan vaqt-fazodasigi kvanlangan maydonlarning qonunlari ko`rinishida rasman qobul qilindi. SHu sababdan gravitatsion, elektromagnit va boshqa turdagi nurlanishlarni kvanlangan maydonlar deb qaraladi. Boshqacha so`z bilan aytganda to`lqinlar qanchalik kvant mexanikasi tenglamalari bilan yoritilmasin, ular o`zini bir vaqtning o`zida ham to`lqin ham zarradek tutadi.
Shuningdek, Xoking xisob kitoblari qora tuynuklarning nurlanishini ham ko`rsatadi. Portlashdan hosil bo`lgan yangi ob`ekt juda kichik haroratga ega bo`ladi (3*10-8 K dan kichik), Qora tuynukning siqilishi uchun esa 1067 yildan ko`proq vaqt kerak bo`ladi. Siqilish natijasida uning harorati oshib boradi, nurlanishlar ham kuchayadi va “bug’lanishi” tezlashadi. Nihoyat massasi bir necha million tonnagacha kamayganida va uning hodisalar gorizonti radiusi atom yadrosi o`lchamiga teng bo`lib, u juda katta (yuzlab million K) haroratgacha qiziydi.
Xoking xisolashlaridan yana shuni ko`rish mumkin: agar qora tuynuk to`liq nurlanib ketsa, uning holati to`g’risida ma`lumot uzoqdagi kuzatuvchi uchun butunlay yo`qoladi. Bu klassik nazariya doirasida to`g’ri. Boshqa tomndanqora tuynukning “bug’lanishi” xisobidan yo`qotilgan axborot kvant mexanikasining axborot mavjudligining to`g’risidagi unitarlik tamoyiliga zid va uni aniqlash qiyin. Faraz qilaylik, bizda ikkita o`ng qizil paypoq va chap ko`k paypoq bor. Agar biz chap ko`k paypoqni qora tuynukga tashlasak va kimdir o`ng qizil paypoqni juftisiz topib olsa va u o`ylaydiki chap qizil paypoqni qora tuynukga tashlagan deb taxmin qiladi ya`ni modomiki hech qanday axborot qora tuynukdan chiqib ketolmas ekan uzoqdagi kuzatuvchi uning ichida nima borligini bila olmaydi.
Shunday qilib, qora jismning nurlanishi uning ichki tuzilishi to`g’risida hech qanday axborot olib chiqmaydi, demak Xokingning kashfiyoti ham qora tuynukga tushib qolgan jism haqida biror narsa bilishimizga yordam bera olmaydi. Boshqa so`z bilan aytganda, Xoking takidlayotgan qora tuynukning nurlanishi uning ichki tuzilishi to`g’risida bizga ma`lumot bermaydi. Bu Xoking tomonidan kiritilgan axborotni yo`qolish paradoksi deyiladi. U shuni ta`kidlaydiki, bizning Koinotdan axborot yo`qolar ekan boshqa joyda paydo bo`ladi. Lekin, kvant nazariyasiga binoan qora jismga yutilgan axborot to`la yo`qoladi.
Hulosa o`rnida shuni takidlash joizki, qora tuynuklar– o`zida ko`plab sinoat yashirib kelayotgan Koinotning jumboqli ob`ektlaridir. Ko`pgina baxs va munozalarga sabab bo`layotgan ko`p sonli paradoks va muammolarga qaramasdan ishonch bilan aytish mumkinki xozirda javobsiz qolayotgan savollar kelajakda o`z javobini topadi.
XXI asrda kosmologiyada revolyutsion kashfiyotlar ro`y berdi. Aniqlanishicha Koinotdagi o`zidan elektromagnit nurlanish tarqatuvchi (barion moddalar) koinotning bor yo`g’i 4% igina tashkil etarkan. Koinotning 21% ini xozirda qorong’i modda deb nomlanuvchi va o`zini faqat gravitatsion o`zaro ta`sirlarda namoyon etuvchi noma`lum modda tashkil etarkan. Ushbu modda galaktikalardagi yulduzlarning galaktika markazi atrofida aylanish chiziqli tezligini tadqiq etish natijasida aniqlangan. Qorong’i modda bo`lmagan modellar yulduzlar xarakati Kepler qonuniga ko`ra galaktika markazidan uzoqlashgan sari ularning chiziqli tezligi kamayib borishi kerak bo`lgan. Kuzatuvlar esa galaktikadan uzoqlashgan sari yulduzlarning chiziqli tezligi kamaymay balki asta sekin ortib borishi kuzatildi. Bu galaktikalarda ko`zga ko`rinmaydigan (ya`ni o`zidan elektromagnit nurlanish tarqatmaydigan) massiv moddaning mvjudligini tasdiqlaydi. Ushbu kashfiyot gravitatsion linza effekti deb nomlanuvchi elektromagnit nurlarning gravitatsion maydonda yo`nalishidan og’ishiga asoslangan kuzatuvlarda ham mustaqil ravishda o`z tasdig’ini topdi.
Koinotning asosiy 75% qismi esa xozirda qorong’i energiya deb nomlanuvchi materiyaning yangi shaklidan tashkil topgan. Materiyaning yangi ochilgan shakli o`zining antigravitatsion ta`siri bilan diqqatga sazovordir. YA`ni ushbu qorong’i energiyaning hisobiga bir-biridan uzoqda joylashgan galaktikalar va galaktikalar to`plami o`zaro bir-biradan itarisharkan. Ushbu tipdagi energiyaning tabiatda mavjudligi uzoqda joylashgan galaktikalarning bizdan uzoqlashish tezligini aniqlash bo`yicha olib borilgan kuzatuv ishlari natijasida aniqlandi. Aniqlanishicha, bizdan qandaydir masofada joylashgan galaktikalar Xabbl qonuni bo`yicha aniqlanadigan tezlik bilan emas balki, undan kattaroq tezlik bilan bizdan uzoqlashmoqda ekan. Ushbu kuzatuvlar relikt nurlarini aniqlash bo`yicha o`tkazilgan kuzatuv natijalari yordamida ham tasdiqlandi. SHunday qilib, bir necha mustaqil kuzatuv va tajriba natijalari tabiatda qorong’i energiyaning mavjudligini tasdiqladi.
Tabiatda qorong’i modda va qorong’i energiyaning mavjudligining aniqlanishi fundamental – revolyutsion kashfiyotlar bo`lib, ularning tabiatini va xususiyatlarini o`rganish – zamonaviy astrofizikaning xozirgi paytdagi dolzarb muammolaridan biri xisoblanadi.
|