Фрозарлар: гравитацион коллапснинг якуний босқичида юлдуз билан нима содир бўлади

Битта коллапснинг икки вақти

Вақт тушунчасида физик реалликнинг икки хусусияти бирлашади: жараёнларнинг кечиш суръати ва кенгайган тизим қисмларининг бир вақтда мавжудлиги. Хусусий вақт муайян объект билан боғлиқ маҳаллий жараёнлар суръатини тавсифлайди. Дунё вақти эса юлдузнинг турли қисмларини бир хил вақт моментида тасвирлаш имконини беради.

Майдон нисбатан кучсиз бўлганда фарқ кичик. Аммо сирт гравитацион радиусга яқинлашган сари хусусий соатлар дунё вақтига нисбатан тобора секин юради. Нурланиш кучлироқ қизил силжийди, кетма-кет сигналлар орасидаги интервал узаяди, модданинг кейинги эволюцияси эса амалда тўхтайди.

Бу оддий механик тўхташ эмас. Маҳаллий равишда модда иссиқ ва жуда динамик бўлиб қолиши мумкин, зарралар ҳаракат ва ўзаро таъсирни давом эттиради. Музлайдиган нарса модданинг ўзи эмас, балки унинг дунё вақти шкаласидаги эволюциясидир.

Юлдуз горизонт ортида йўқолмайди

Нютон гравитациясида вақт мутлақ ва тортишиш кучига боғлиқ эмас. Шу сабаб коллапс табиий равишда бутун юлдузнинг қоронғи соҳа ичига тушиши ва модданинг марказий сингулярликда тўпланиши сифатида тасаввур қилинган. Қора туйнук образи шундай пайдо бўлган.

Умумий нисбийликда вазият бошқача. Коллапс қилаётган юлдузнинг консентрик қатламларини қарайлик. Сиқилиш давом этган сари уларнинг хусусий вақтлари тобора секинлашади. Дунё вақти билан берилган глобал саноқ системасида ички қатламлар ташқи қатламлардан олдин музлай бошлайди, сирт эса чегаравий ҳолатга энг охирида яқинлашади.

Модда фазо-вақтнинг глобал манзарасидан йўқолмайди. У кейинги эволюцияси амалда тўхтаган қатламларда қолади. Шу маънода фрозарни коллапс тарихининг гравитацион архиви деб тасаввур қилиш мумкин: қатлам қанчалик чуқур бўлса, унинг ташқи оламга нисбатан эволюцияси шунчалик олдин деярли тўхтаган бўлади.

Нега «музлаш» совуқлик дегани эмас

«Музлаган юлдуз» ибораси совуқ ёки механик жиҳатдан ҳаракатсиз объектни англатмайди. Коллапс вақтида модда сиқилади ва қизийди; электронлар, нуклонлар ва етарлича катта зичликларда кварклар релятивистик режимда бўлиши мумкин.

Музлаш хусусий вақтнинг дунё вақтига нисбатан кечиш суръатига тегишли. Шунинг учун модда маҳаллий равишда ниҳоятда иссиқ ва динамик бўлиб қолиши, глобал эволюцияси эса амалда музлаши мумкин.

Вақт секинлашишининг икки сабаби

Коллапснинг охирги босқичларида модданинг хусусий вақти икки сабабга кўра секинлашади. Биринчиси гравитацион: майдон қанчалик кучли бўлса, маҳаллий жараёнлар дунё вақтига нисбатан шунчалик секин кечади. Иккинчиси кинематик: маҳаллий тезлик ёруғлик тезлигига қанчалик яқин бўлса, хусусий вақтнинг релятивистик секинлашиши шунчалик кучли бўлади.

Коллапс қилаётган юлдузда радиал тушиш тезликлари, зарраларнинг иссиқлик тезликлари ва айланишнинг тангенсиал тезликлари бир вақтнинг ўзида катта бўлиши мумкин. Шу сабаб чегаравий музлаш гравитацион ва кинематик омилларнинг қўшма таъсири билан кучаяди.

Айланиш ва заряд: нега тўлиқ массани ўзгармас деб бўлмайди

Айланувчи ёки зарядланган юлдузга ўтилганда анъанавий қора-туйнук талқинининг яна бир асосий муаммоси пайдо бўлади. Айланиш энергияси ёки электр майдон энергияси оширилганда объектнинг тўлиқ массаси ўзгармас деб қабул қилинган.

Аммо энергия массага эга. Юлдуз қўшимча айланиш энергиясини олса ёки кучлироқ электр майдон ҳосил қилса, унинг тўлиқ энергияси ва шу билан бирга тўлиқ массаси ҳам ортади. Фрозар назариясида тўлиқ масса нейтрал, айланмайдиган модда массаси билан айланиш ва электр майдон энергияларининг масса-эквивалентлари йиғиндисидан иборат.

Шунинг учун турли заряд ва бурчак моментли объектларни сунъий равишда бир хил тўлиқ массада эмас, балки бир хил бошланғич модда массасида солиштириш керак.

Нега айланиш гравитацияни кучайтиради

Айланиш сиқилишга қарши марказдан қочма эффектини албатта ҳосил қилади. Аммо айланиш энергияси бир вақтнинг ўзида юлдузнинг тўлиқ массасини оширади ва шу орқали гравитацияни ҳам кучайтиради.

Агар бурчак моменти тўлиқ масса ўзгармаган ҳолда оширилса, айланиш гўёки гравитацион эффектларни йўқолгунча сусайтираётгандек, ҳатто формал антигравитацион режимларга олиб келаётгандек парадоксал тасаввур пайдо бўлади. Сабаб оддий: тизимга айланиш энергияси қўшилади, лекин бу энергияга массани оширишга «рухсат берилмайди».

Фрозар назариясида айланиш энергияси ошса, тўлиқ масса ҳам ошади ва гравитация кучаяди. Марказдан қочма эффект сақланади, катта тангенсиал тезлик туфайли қўшимча кинематик вақт секинлашиши ҳам юз беради. Демак, айланиш гравитацион музлашни бекор қилмайди.

Нега заряд ҳам гравитацияни кучайтиради

Кучлироқ электр майдон кўпроқ мусбат энергия сақлайди. Демак, заряд ошиши тизимнинг тўлиқ энергияси ва массасини ҳам оширади.

Агар заряд оширилса-ю, тўлиқ масса сунъий равишда ўзгармас қолдирилса, заряд гравитацияни сусайтиради деган нотўғри хулоса олинади. Физик жиҳатдан эса бу тизим энергиясининг бошқа қисми бир вақтда камайиши кераклигини англатади, яъни энди айнан бир хил юлдузлар солиштирилмаяпти.

Фрозар назариясида заряднинг ортиши электр майдон энергияси ва тўлиқ массанинг ортишини англатади. Электр итарилиши сақланади, лекин гравитация манбаи сунъий равишда камайтирилмайди. Умумий принсип содда: изоляцияланган тизимга қўшилган ҳар қандай мусбат энергия унинг тўлиқ массасини оширади.

Нима кўриниб қолади

Агар фрозар сирти амалда музлаган бўлса, нега суперихчам объект ёрқин кўриниши мумкин? Чунки кузатиладиган нурланишнинг катта қисми сиртнинг ўзида эмас, балки атрофдаги газ ва плазмада ҳосил бўлади.

Аккрецион оқим ёки диск қизийди, магнит майдонлар билан ўзаро таъсирлашади ва кучли нурланади. Нурланиш манбаи фрозар сиртига қанчалик яқин бўлса, қизил силжиш шунчалик кучли, жараёнлар шунчалик секин кўринади ва ташқарига чиқадиган фотонлар улуши шунчалик кичик бўлади. Шу сабаб сиртнинг ўзи деярли кўринмас, атроф плазма эса жуда ёрқин бўлиши мумкин.

Фрозар сояси: «соч» ва ҳатто «соч турмаги»

Суперихчам объектларнинг замонавий тасвирларида ёрқин плазма ҳалқаси билан ўралган қоронғи марказий соҳа — соя кўринади. Аммо соянинг ўзи марказий объектнинг ички табиатини белгиламайди: у аввало ёруғлик траекторияларининг кучли эгилишидан келиб чиқади.

Бу ерда қора-туйнук ва фрозар манзаралари орасидаги асосий фарқлардан бири намоён бўлади. Анъанавий назарияда машҳур «қора туйнукнинг сочи йўқ» принсипи мавжуд. Коллапсдан кейин ташқи объект фақат бир неча глобал параметр — масса, заряд ва бурчак моменти билан тавсифланади, модда тақсимотининг тафсилотлари ташқи манзарадан йўқолади.

Фрозар бошқача. Унда модданинг реал музлаган тузилиши сақланади. Образли айтганда, фрозарнинг нафақат «сочи», балки ҳатто «соч турмаги» ҳам бор.

Суперфрозар туғилишиданоқ бир жинсли эмас

Галактика марказидаги супермассив фрозар битта сферик коллапс натижасида пайдо бўлиши шарт эмас. Галактикалар қўшилганда уларнинг марказий суперфрозарлари ҳам бир-бирига яқинлашиб, ёпишиб қолиши мумкин.

Ёпишиш аввалги объектларнинг тузилишини ўчириб юбормайди. Яқинлашишда бир-бирига қараган соҳалар тобора кучли умумий майдонга киради, уларнинг хусусий вақтлари секинлашади ва кейинги қайта тузилиш аста-секин музлайди. Янги объект таркибий қисмларининг бир жинсли бўлмаган тузилишини сақлайди.

Бир неча шундай ҳодисадан кейин катта суперфрозар кўплаб кичик объектларнинг кетма-кет ёпишиш тарихини сақлайдиган гравитацион конгломератга айланади.

Аккреция масконлар ҳосил қилади

Кейинги аккреция яна бир нотекислик манбаини қўшади. Тушаётган модда горизонт ортида йўқолмайди, балки музлаган сиртнинг айрим жойларига етиб келади, тўлиқ ёйилиб улгурмасдан радиал йўналишда яссиланади ва ўша ерда музлайди.

Шундай қилиб маҳаллий масса ортиқлари — Ойдаги масса консентрацияларига ўхшаш масконлар ҳосил бўлади. Реал суперфрозарда камида икки хил нотекислик манбаи мавжуд: аввалги ёпишишлардан қолган йирик масштабли тузилма ва кейинги аккреция яратган кичикроқ масконлар.

Нотекис соя ва кучлироқ турбулент диск

Узоқ масофаларда майдон асосан объектнинг тўлиқ массаси билан белгиланади, аммо яқин соҳада маҳаллий нотекисликлар муҳимлашади. Улар фотон траекторияларини бироз ўзгартириши керак, шунинг учун реал суперфрозар соясининг чегараси мутлақо силлиқ бўлиши шарт эмас.

Нотекис майдон плазмага ҳам таъсир қилади. Сиртнинг массаси каттароқ соҳалари устидан ўтаётган плазма қўшимча маҳаллий тезланиш олади; сиқилишлар, гирдоблар ва қўшимча турбуленсия юзага келади. Шу сабаб суперфрозар атрофидаги аккрецион оқим бир хил ўртача параметрларга эга идеал силлиқ марказий объект атрофидагидан мураккаброқ бўлиши керак.

Маҳаллий қизиган соҳалар ёрқин доғлар сифатида кўринади. Бундай ёрқинлик нотекисликлари M87* ва Sagittarius A* нинг эълон қилинган тасвирларида аллақачон мавжуд. Уларнинг ўзи масконларни исботламайди, чунки магнит майдонлар, плазма турбуленсияси ва релятивистик ҳаракат ҳам шундай эффектлар бериши мумкин. Фрозар назарияси яна бир манбани — марказий объект гравитацион майдонининг ўзидаги нотекисликни — қўшади.

Суратдан «кино»га

Шунинг учун битта тасвирдан кўра узоқ кузатув сериялари муҳимроқ. Тасодифий плазма нотекислиги нисбатан тез пайдо бўлади, ҳаракатланади ва йўқолади. Маскон ёки суперфрозарнинг йирик структуравий нотекислиги эса гравитацион музлаш туфайли жуда секин ўзгаради.

Демак, шунчаки ёрқин доғларни эмас, балки барқарор фаол соҳаларни излаш керак. Соя чегарасидаги маҳаллий оғишлар билан айни йўналишлардаги плазма хатти-ҳаракатининг корреляцияси янада кучли далил бўларди. Суперфрозар атрофидаги бундай «кино» битта суратдан анча кўпроқ маълумот бериши мумкин.

Ичкарига қулаш эмас, ёпишиш

Агар икки фрозар сирти аллақачон кучли гравитацион музлаш ҳолатида бўлса, улар яқинлашганда умумий майдон янада кучаяди. Энг яқин сирт соҳаларининг хусусий вақтлари янада секинлашади ва контакт жараёни ташқи оламга нисбатан тобора суст ривожланади.

Гравитацион ёпишиш юз беради. Дастлабки босқичда тизим тез ўзгаради, гравитацион тўлқинлар чиқаради ва энергия ҳамда бурчак моментининг бир қисмини йўқотади. Янги суперихчам объект шаклланган сари кейинги қайта тузилиш тобора секинлашади.

Натижа модданинг бўш соҳада йўқолиши эмас, балки янги, янада массив ва янада нотекис фрозарнинг ҳосил бўлишидир.

Гравитацион тўлқинлар нимани кўрсатиши мумкин

Суперихчам объектларнинг яқинлашишининг дастлабки босқичлари ўхшаш кўриниши мумкин, чунки улар асосан ташқи майдон билан белгиланади. Шунинг учун гравитацион-тўлқин сигналининг якуний қисми энг қизиқарлидир.

Айнан шу ерда асосий савол туғилади: объектларнинг моддий тузилиши йўқоладими ёки ёпишиш ва кейинги музлашда сақланадими? Детекторлар сезгирлиги ошгани сари ёпишаётган объектлар тузилиши ва умумий фрозар шаклланиши билан боғлиқ кечки босқичдаги кучсиз хусусиятларни излаш мумкин бўлади.

Ҳар бир ўта зич юлдуз дарҳол фрозарга айланадими?

Йўқ. Барқарор нейтрон юлдузи билан чегаравий музлаган фрозар орасида оралиқ ҳолат мавжуд бўлиши мумкин, айниқса масса нейтрон юлдузининг максимал барқарор массасидан бироз катта бўлса.

Масалан, қўшалоқ тизимдаги нейтрон юлдузи аста-секин модда йиғиши мумкин. Барқарорлик чегараси ошгач, кейинги сиқилиш бошланади ва зичлик модданинг ўзи янги фазага ўтадиган даражага етиши мумкин.

Кварк моддаси ва глоузар

Ниҳоятда катта зичликларда адрон–кварк фаза ўтиши мумкин. Алоҳида протон ва нейтронлардан иборат модда ўрнига ўта зич кварк муҳити пайдо бўлади.

Агар унинг босими маълум вақт давомида кейинги сиқилишга қарши тура олса, квазибарқарор суперихчам юлдуз — глоузар ҳосил бўлади.

Глоузар ҳали чегаравий гравитацион музлашга етмаган. Унинг радиуси ёруғлик эгилиши аллақачон жуда кучли бўлган фотон радиусига яқин бўлиши мумкин, лекин юлдуз ичидаги хусусий жараёнлар ҳали нисбатан тез кечади.

Нега глоузар жуда иссиқ бўлиши керак

Сиқилиш вақтида гравитацион энергия модданинг ички энергиясига айланади. Етарлича ихчам глоузарда электронлар, кварк фазаси мавжуд бўлса кварклар ҳам релятивистик бўлиши, уларнинг маҳаллий тезликлари ёруғлик тезлигининг сезиларли улушига етиши мумкин.

Шу сабаб нисбатан кичик ҳажмда релятивистик ҳаракатнинг жуда катта энергияси жамланади. Глоузар релятивистик энергиянинг ўзига хос резервуарига айланади.

Релятивистик портлаш

Агар глоузарнинг квазибарқарор ҳолати бузилса, бу энергиянинг сезиларли қисми қисқа хусусий вақт ичида ажралиши мумкин. Бу оддий термоядро портлаши эмас: энергия аввалдан ўта зич релятивистик муҳитда мавжуд.

Агар кварк моддасининг тузилиши тез қайта ташкил қилинса ёки релятивистик зарралар энергияси нурланиш ва ташқи қатламлар ҳаракатига ўца, чиқарилаётган модданинг ўзи ҳам релятивистик бўлиши мумкин. Шундай релятивистик портлаш юз беради.

Бундай ссенарий нейтрон юлдузи барқарорлик чегарасидан бироз юқоридаги нисбатан тор масса оралиғида энг эҳтимолли: кичик массада юлдуз барқарор қолади, анча катта массада эса оралиқ квазибарқарор босқич жуда қисқа бўлиши мумкин.

Фрозар манзарасини қандай текшириш мумкин

Фрозар назарияси бир нечта мустақил кузатувий оқибатлар беради. Соя чегарасининг барқарор нотекисликларини ва аккрецион оқимдаги ёрқин соҳаларнинг узоқ муддатли тузилишини излаш; гравитацион-тўлқин сигналларининг кечки босқичини ўрганиш; нейтрон юлдузлари чегарасидан бироз юқоридаги оралиқ ўта зич объектлар ҳамда глоузарларнинг релятивистик портлашлари бўлиши мумкин бўлган кучли қисқа ҳодисаларни қидириш керак.

Бир нечта белгиларнинг бир-бирига мос келиши айниқса қимматли бўлади. Масалан, соянинг барқарор нотекисликлари плазманинг такрорий фаол соҳалари билан боғлиқ бўлса, икки мустақил кузатув канали бир хил манбага — марказий объект майдонининг нотекислигига — ишора қилади.

Бу икки назарий жиҳатдан тенг модел эмас

Масала баъзан қора туйнук ва фрозар иккита тенг ҳуқуқли модел, келажак кузатувлари эса уларнинг қайси бири тўғри эканини ҳал қилади, деган тарзда қўйилади. Аммо иккала манзара ҳам айни жараённи айни умумий нисбийлик назарияси доирасида, айни тенгламалар ва физик принсиплардан келиб чиқиб тасвирлашга даъво қилади.

Шунинг учун биринчи савол назарийдир: қайси манзара ҳақиқатан ҳам шу принсиплардан келиб чиқади? Фрозар назариясида жавоб бутун кенгайган юлдузни ягона глобал саноқ системасида тасвирлаб, унинг барча қатламларини дунё вақтининг бир хил моментида кўриш орқали олинади.

Хусусий вақтларнинг гравитацион секинлашишини айнан чегаравий ҳолатга айланганда ташлаб юбориб бўлмайди. Ички қатламлар ташқиларидан олдин музлайди, сирт гравитацион радиусга асимптотик яқинлашади, чекли дунё вақтида кесиб ўтилиши керак бўлган горизонт эса ҳосил бўлмайди. Шу тарзда умумий нисбийликдан фрозар келиб чиқади.

Қора-туйнук манзарасидаги хато нимада

Муаммо умумий нисбийлик тенгламаларида эмас, балки уларнинг физик талқинида. Ташқи майдонда гравитацион вақт секинлашиши тан олинади, аммо кейин модданинг глобал эволюцияси гўёки бу секинлашиш кейинги коллапсга халақит бермаётгандек давом эттирилади.

Бир манзарада икки мос келмайдиган мантиқ бирлаштирилади: ташқарида хусусий вақтлар секинлашадиган релятивистик фазо-вақт ишлатилади, ичкаридаги модда тақдири эса амалда гравитацион чегарадан қулашни давом эттирувчи релятивистикгача бўлган схема бўйича талқин қилинади.

Шу сабаб фрозар ёндашувида қора туйнук консепсияси умумий нисбийлик ичидаги тенг ҳуқуқли алтернатива эмас, балки релятивистик коллапснинг нотўғри физик талқинидир. Худди шундай номувофиқлик заряд ва айланиш талқинида ҳам уларнинг энергияси оширилиб, тўлиқ масса сунъий равишда ўзгармас қолдирилганда юзага келган.

Унда кузатувлар нимани текширади

Кузатувларнинг аҳамияти камаймайди — уларнинг вазифаси ўзгаради. Улар бир назариянинг икки мантиқан тенг вариантидан бирини танламайди, балки умумий нисбийликнинг изчил қўлланишидан келиб чиқадиган аниқ физик оқибатларни текширади.

Агар фрозарлар ҳосил бўлса, уларнинг моддий тузилиши сақланиши; суперфрозарлар аввалги ёпишишлар ва кейинги аккреция туфайли нотекис бўлиши; масконлар соя ва аккрецион оқимга таъсир қилиши; қўшилишлар структуравий хотирани сақлаши; оралиқ масса соҳасида эса глоузарлар ва релятивистик портлашлар юз бериши керак.

Қора туйнукдан музлаган юлдузга

Фрозар манзараси янги гравитация назариясини талаб қилмайди. У умумий нисбийликнинг асосий эффектларидан бири — хусусий вақтнинг гравитацион секинлашишини изчил қўллашдан бошланади.

Натижада ички қатламлар ташқи қатламлардан олдин музлайди, сирт гравитацион радиусга тобора секин яқинлашади ва модда физик мавжуд оламдан йўқолмайди. Айланиш ва заряд бу натижани бекор қилмайди, чунки уларнинг энергияси тўлиқ массага киради. Қўшилишлар ёпишишга олиб келади ва нотекис тузилишни сақлайди. Нейтрон юлдузи барқарорлик чегарасидан бироз юқорида иссиқ глоузарлар мавжуд бўлиб, релятивистик портлашлар ҳосил қилиши мумкин.

Шу тарзда умумий нисбийликнинг физик принсипларидан келиб чиқадиган релятивистик ихчам объектларнинг ягона манзараси юзага келади.

Хато ва фан

Физика тарихи буюк назария ҳам унинг тенгламаларини нотўғри талқин қилишдан ҳимоя қилмаслигини кўрсатади. Бир тасаввурнинг узоқ вақт мавжуд бўлиши уни физик принсипга айлантирмайди. Асосий мезон — у назариянинг бошланғич принсипларига ва изчил мантиққа мос келадими.

Шунинг учун қора туйнук консепсиясини қайта кўриб чиқиш умумий нисбийликдан воз кечишни англатмайди. Аксинча, гап релятивистик эффектлар чегаравий бўлган жойда унинг физик принсипларини изчил қўллаш ҳақида кетмоқда.

Бу ерда П. Л. Капица билан боғланадиган фикр ўринли: хатонинг ўзи ҳали сохта фан эмас; сохта фан хатони тан олмасликдан бошланади.

Назарий вазифа — умумий нисбийликни изчил қўллаш. Кейинги босқичдаги кузатувий вазифа эса бундан келиб чиқадиган объектларнинг аниқ хусусиятларини излаш ва ўлчашдир.

Агар умумий нисбийлик изчил қўлланса, релятивистик коллапснинг якуний натижаси қора туйнук эмас, балки фрозардир.