Frozarlar: gravitatsion kollapsning yakuniy bosqichida yulduz bilan nima sodir bo‘ladi

Bitta kollapsning ikki vaqti

Vaqt tushunchasida fizik reallikning ikki xususiyati birlashadi: jarayonlarning kechish sur’ati va kengaygan tizim qismlarining bir vaqtda mavjudligi. Xususiy vaqt muayyan obyekt bilan bog‘liq mahalliy jarayonlar sur’atini tavsiflaydi. Dunyo vaqti esa yulduzning turli qismlarini bir xil vaqt momentida tasvirlash imkonini beradi.

Maydon nisbatan kuchsiz bo‘lganda farq kichik. Ammo sirt gravitatsion radiusga yaqinlashgan sari xususiy soatlar dunyo vaqtiga nisbatan tobora sekin yuradi. Nurlanish kuchliroq qizil siljiydi, ketma-ket signallar orasidagi interval uzayadi, moddaning keyingi evolyutsiyasi esa amalda to‘xtaydi.

Bu oddiy mexanik to‘xtash emas. Mahalliy ravishda modda issiq va juda dinamik bo‘lib qolishi mumkin, zarralar harakat va o‘zaro ta’sirni davom ettiradi. Muzlaydigan narsa moddaning o‘zi emas, balki uning dunyo vaqti shkalasidagi evolyutsiyasidir.

Yulduz gorizont ortida yo‘qolmaydi

Nyuton gravitatsiyasida vaqt mutlaq va tortishish kuchiga bog‘liq emas. Shu sabab kollaps tabiiy ravishda butun yulduzning qorong‘i soha ichiga tushishi va moddaning markaziy singulyarlikda to‘planishi sifatida tasavvur qilingan. Qora tuynuk obrazi shunday paydo bo‘lgan.

Umumiy nisbiylikda vaziyat boshqacha. Kollaps qilayotgan yulduzning konsentrik qatlamlarini qaraylik. Siqilish davom etgan sari ularning xususiy vaqtlari tobora sekinlashadi. Dunyo vaqti bilan berilgan global sanoq sistemasida ichki qatlamlar tashqi qatlamlardan oldin muzlay boshlaydi, sirt esa chegaraviy holatga eng oxirida yaqinlashadi.

Modda fazo-vaqtning global manzarasidan yo‘qolmaydi. U keyingi evolyutsiyasi amalda to‘xtagan qatlamlarda qoladi. Shu ma’noda frozarni kollaps tarixining gravitatsion arxivi deb tasavvur qilish mumkin: qatlam qanchalik chuqur bo‘lsa, uning tashqi olamga nisbatan evolyutsiyasi shunchalik oldin deyarli to‘xtagan bo‘ladi.

Nega «muzlash» sovuqlik degani emas

«Muzlagan yulduz» iborasi sovuq yoki mexanik jihatdan harakatsiz obyektni anglatmaydi. Kollaps vaqtida modda siqiladi va qiziydi; elektronlar, nuklonlar va yetarlicha katta zichliklarda kvarklar relyativistik rejimda bo‘lishi mumkin.

Muzlash xususiy vaqtning dunyo vaqtiga nisbatan kechish sur’atiga tegishli. Shuning uchun modda mahalliy ravishda nihoyatda issiq va dinamik bo‘lib qolishi, global evolyutsiyasi esa amalda muzlashi mumkin.

Vaqt sekinlashishining ikki sababi

Kollapsning oxirgi bosqichlarida moddaning xususiy vaqti ikki sababga ko‘ra sekinlashadi. Birinchisi gravitatsion: maydon qanchalik kuchli bo‘lsa, mahalliy jarayonlar dunyo vaqtiga nisbatan shunchalik sekin kechadi. Ikkinchisi kinematik: mahalliy tezlik yorug‘lik tezligiga qanchalik yaqin bo‘lsa, xususiy vaqtning relyativistik sekinlashishi shunchalik kuchli bo‘ladi.

Kollaps qilayotgan yulduzda radial tushish tezliklari, zarralarning issiqlik tezliklari va aylanishning tangensial tezliklari bir vaqtning o‘zida katta bo‘lishi mumkin. Shu sabab chegaraviy muzlash gravitatsion va kinematik omillarning qo‘shma ta’siri bilan kuchayadi.

Aylanish va zaryad: nega to‘liq massani o‘zgarmas deb bo‘lmaydi

Aylanuvchi yoki zaryadlangan yulduzga o‘tilganda an’anaviy qora-tuynuk talqinining yana bir asosiy muammosi paydo bo‘ladi. Aylanish energiyasi yoki elektr maydon energiyasi oshirilganda obyektning to‘liq massasi o‘zgarmas deb qabul qilingan.

Ammo energiya massaga ega. Yulduz qo‘shimcha aylanish energiyasini olsa yoki kuchliroq elektr maydon hosil qilsa, uning to‘liq energiyasi va shu bilan birga to‘liq massasi ham ortadi. Frozar nazariyasida to‘liq massa neytral, aylanmaydigan modda massasi bilan aylanish va elektr maydon energiyalarining massa-ekvivalentlari yig‘indisidan iborat.

Shuning uchun turli zaryad va burchak momentli obyektlarni sun’iy ravishda bir xil to‘liq massada emas, balki bir xil boshlang‘ich modda massasida solishtirish kerak.

Nega aylanish gravitatsiyani kuchaytiradi

Aylanish siqilishga qarshi markazdan qochma effektini albatta hosil qiladi. Ammo aylanish energiyasi bir vaqtning o‘zida yulduzning to‘liq massasini oshiradi va shu orqali gravitatsiyani ham kuchaytiradi.

Agar burchak momenti to‘liq massa o‘zgarmagan holda oshirilsa, aylanish go‘yoki gravitatsion effektlarni yo‘qolguncha susaytirayotgandek, hatto formal antigravitatsion rejimlarga olib kelayotgandek paradoksal tasavvur paydo bo‘ladi. Sabab oddiy: tizimga aylanish energiyasi qo‘shiladi, lekin bu energiyaga massani oshirishga «ruxsat berilmaydi».

Frozar nazariyasida aylanish energiyasi oshsa, to‘liq massa ham oshadi va gravitatsiya kuchayadi. Markazdan qochma effekt saqlanadi, katta tangensial tezlik tufayli qo‘shimcha kinematik vaqt sekinlashishi ham yuz beradi. Demak, aylanish gravitatsion muzlashni bekor qilmaydi.

Nega zaryad ham gravitatsiyani kuchaytiradi

Kuchliroq elektr maydon ko‘proq musbat energiya saqlaydi. Demak, zaryad oshishi tizimning to‘liq energiyasi va massasini ham oshiradi.

Agar zaryad oshirilsa-yu, to‘liq massa sun’iy ravishda o‘zgarmas qoldirilsa, zaryad gravitatsiyani susaytiradi degan noto‘g‘ri xulosa olinadi. Fizik jihatdan esa bu tizim energiyasining boshqa qismi bir vaqtda kamayishi kerakligini anglatadi, ya’ni endi aynan bir xil yulduzlar solishtirilmayapti.

Frozar nazariyasida zaryadning ortishi elektr maydon energiyasi va to‘liq massaning ortishini anglatadi. Elektr itarilishi saqlanadi, lekin gravitatsiya manbai sun’iy ravishda kamaytirilmaydi. Umumiy prinsip sodda: izolyatsiyalangan tizimga qo‘shilgan har qanday musbat energiya uning to‘liq massasini oshiradi.

Nima ko‘rinib qoladi

Agar frozar sirti amalda muzlagan bo‘lsa, nega superixcham obyekt yorqin ko‘rinishi mumkin? Chunki kuzatiladigan nurlanishning katta qismi sirtning o‘zida emas, balki atrofdagi gaz va plazmada hosil bo‘ladi.

Akkretsion oqim yoki disk qiziydi, magnit maydonlar bilan o‘zaro ta’sirlashadi va kuchli nurlanadi. Nurlanish manbai frozar sirtiga qanchalik yaqin bo‘lsa, qizil siljish shunchalik kuchli, jarayonlar shunchalik sekin ko‘rinadi va tashqariga chiqadigan fotonlar ulushi shunchalik kichik bo‘ladi. Shu sabab sirtning o‘zi deyarli ko‘rinmas, atrof plazma esa juda yorqin bo‘lishi mumkin.

Frozar soyasi: «soch» va hatto «soch turmagi»

Superixcham obyektlarning zamonaviy tasvirlarida yorqin plazma halqasi bilan o‘ralgan qorong‘i markaziy soha — soya ko‘rinadi. Ammo soyaning o‘zi markaziy obyektning ichki tabiatini belgilamaydi: u avvalo yorug‘lik trayektoriyalarining kuchli egilishidan kelib chiqadi.

Bu yerda qora-tuynuk va frozar manzaralari orasidagi asosiy farqlardan biri namoyon bo‘ladi. An’anaviy nazariyada mashhur «qora tuynukning sochi yo‘q» prinsipi mavjud. Kollapsdan keyin tashqi obyekt faqat bir necha global parametr — massa, zaryad va burchak momenti bilan tavsiflanadi, modda taqsimotining tafsilotlari tashqi manzaradan yo‘qoladi.

Frozar boshqacha. Unda moddaning real muzlagan tuzilishi saqlanadi. Obrazli aytganda, frozarning nafaqat «sochi», balki hatto «soch turmagi» ham bor.

Superfrozar tug‘ilishidanoq bir jinsli emas

Galaktika markazidagi supermassiv frozar bitta sferik kollaps natijasida paydo bo‘lishi shart emas. Galaktikalar qo‘shilganda ularning markaziy superfrozarlari ham bir-biriga yaqinlashib, yopishib qolishi mumkin.

Yopishish avvalgi obyektlarning tuzilishini o‘chirib yubormaydi. Yaqinlashishda bir-biriga qaragan sohalar tobora kuchli umumiy maydonga kiradi, ularning xususiy vaqtlari sekinlashadi va keyingi qayta tuzilish asta-sekin muzlaydi. Yangi obyekt tarkibiy qismlarining bir jinsli bo‘lmagan tuzilishini saqlaydi.

Bir necha shunday hodisadan keyin katta superfrozar ko‘plab kichik obyektlarning ketma-ket yopishish tarixini saqlaydigan gravitatsion konglomeratga aylanadi.

Akkretsiya maskonlar hosil qiladi

Keyingi akkretsiya yana bir notekislik manbaini qo‘shadi. Tushayotgan modda gorizont ortida yo‘qolmaydi, balki muzlagan sirtning ayrim joylariga yetib keladi, to‘liq yoyilib ulgurmasdan radial yo‘nalishda yassilanadi va o‘sha yerda muzlaydi.

Shunday qilib mahalliy massa ortiqlari — Oydagi massa konsentratsiyalariga o‘xshash maskonlar hosil bo‘ladi. Real superfrozarda kamida ikki xil notekislik manbai mavjud: avvalgi yopishishlardan qolgan yirik masshtabli tuzilma va keyingi akkretsiya yaratgan kichikroq maskonlar.

Notekis soya va kuchliroq turbulent disk

Uzoq masofalarda maydon asosan obyektning to‘liq massasi bilan belgilanadi, ammo yaqin sohada mahalliy notekisliklar muhimlashadi. Ular foton trayektoriyalarini biroz o‘zgartirishi kerak, shuning uchun real superfrozar soyasining chegarasi mutlaqo silliq bo‘lishi shart emas.

Notekis maydon plazmaga ham ta’sir qiladi. Sirtning massasi kattaroq sohalari ustidan o‘tayotgan plazma qo‘shimcha mahalliy tezlanish oladi; siqilishlar, girdoblar va qo‘shimcha turbulensiya yuzaga keladi. Shu sabab superfrozar atrofidagi akkretsion oqim bir xil o‘rtacha parametrlarga ega ideal silliq markaziy obyekt atrofidagidan murakkabroq bo‘lishi kerak.

Mahalliy qizigan sohalar yorqin dog‘lar sifatida ko‘rinadi. Bunday yorqinlik notekisliklari M87* va Sagittarius A* ning e’lon qilingan tasvirlarida allaqachon mavjud. Ularning o‘zi maskonlarni isbotlamaydi, chunki magnit maydonlar, plazma turbulensiyasi va relyativistik harakat ham shunday effektlar berishi mumkin. Frozar nazariyasi yana bir manbani — markaziy obyekt gravitatsion maydonining o‘zidagi notekislikni — qo‘shadi.

Suratdan «kino»ga

Shuning uchun bitta tasvirdan ko‘ra uzoq kuzatuv seriyalari muhimroq. Tasodifiy plazma notekisligi nisbatan tez paydo bo‘ladi, harakatlanadi va yo‘qoladi. Maskon yoki superfrozarning yirik strukturaviy notekisligi esa gravitatsion muzlash tufayli juda sekin o‘zgaradi.

Demak, shunchaki yorqin dog‘larni emas, balki barqaror faol sohalarni izlash kerak. Soya chegarasidagi mahalliy og‘ishlar bilan ayni yo‘nalishlardagi plazma xatti-harakatining korrelyatsiyasi yanada kuchli dalil bo‘lardi. Superfrozar atrofidagi bunday «kino» bitta suratdan ancha ko‘proq ma’lumot berishi mumkin.

Ichkariga qulash emas, yopishish

Agar ikki frozar sirti allaqachon kuchli gravitatsion muzlash holatida bo‘lsa, ular yaqinlashganda umumiy maydon yanada kuchayadi. Eng yaqin sirt sohalarining xususiy vaqtlari yanada sekinlashadi va kontakt jarayoni tashqi olamga nisbatan tobora sust rivojlanadi.

Gravitatsion yopishish yuz beradi. Dastlabki bosqichda tizim tez o‘zgaradi, gravitatsion to‘lqinlar chiqaradi va energiya hamda burchak momentining bir qismini yo‘qotadi. Yangi superixcham obyekt shakllangan sari keyingi qayta tuzilish tobora sekinlashadi.

Natija moddaning bo‘sh sohada yo‘qolishi emas, balki yangi, yanada massiv va yanada notekis frozarning hosil bo‘lishidir.

Gravitatsion to‘lqinlar nimani ko‘rsatishi mumkin

Superixcham obyektlarning yaqinlashishining dastlabki bosqichlari o‘xshash ko‘rinishi mumkin, chunki ular asosan tashqi maydon bilan belgilanadi. Shuning uchun gravitatsion-to‘lqin signalining yakuniy qismi eng qiziqarlidir.

Aynan shu yerda asosiy savol tug‘iladi: obyektlarning moddiy tuzilishi yo‘qoladimi yoki yopishish va keyingi muzlashda saqlanadimi? Detektorlar sezgirligi oshgani sari yopishayotgan obyektlar tuzilishi va umumiy frozar shakllanishi bilan bog‘liq kechki bosqichdagi kuchsiz xususiyatlarni izlash mumkin bo‘ladi.

Har bir o‘ta zich yulduz darhol frozarga aylanadimi?

Yo‘q. Barqaror neytron yulduzi bilan chegaraviy muzlagan frozar orasida oraliq holat mavjud bo‘lishi mumkin, ayniqsa massa neytron yulduzining maksimal barqaror massasidan biroz katta bo‘lsa.

Masalan, qo‘shaloq tizimdagi neytron yulduzi asta-sekin modda yig‘ishi mumkin. Barqarorlik chegarasi oshgach, keyingi siqilish boshlanadi va zichlik moddaning o‘zi yangi fazaga o‘tadigan darajaga yetishi mumkin.

Kvark moddasi va gloozar

Nihoyatda katta zichliklarda adron–kvark faza o‘tishi mumkin. Alohida proton va neytronlardan iborat modda o‘rniga o‘ta zich kvark muhiti paydo bo‘ladi.

Agar uning bosimi ma’lum vaqt davomida keyingi siqilishga qarshi tura olsa, kvazibarqaror superixcham yulduz — gloozar hosil bo‘ladi.

Gloozar hali chegaraviy gravitatsion muzlashga yetmagan. Uning radiusi yorug‘lik egilishi allaqachon juda kuchli bo‘lgan foton radiusiga yaqin bo‘lishi mumkin, lekin yulduz ichidagi xususiy jarayonlar hali nisbatan tez kechadi.

Nega gloozar juda issiq bo‘lishi kerak

Siqilish vaqtida gravitatsion energiya moddaning ichki energiyasiga aylanadi. Yetarlicha ixcham gloozarda elektronlar, kvark fazasi mavjud bo‘lsa kvarklar ham relyativistik bo‘lishi, ularning mahalliy tezliklari yorug‘lik tezligining sezilarli ulushiga yetishi mumkin.

Shu sabab nisbatan kichik hajmda relyativistik harakatning juda katta energiyasi jamlanadi. Gloozar relyativistik energiyaning o‘ziga xos rezervuariga aylanadi.

Relyativistik portlash

Agar gloozarning kvazibarqaror holati buzilsa, bu energiyaning sezilarli qismi qisqa xususiy vaqt ichida ajralishi mumkin. Bu oddiy termoyadro portlashi emas: energiya avvaldan o‘ta zich relyativistik muhitda mavjud.

Agar kvark moddasining tuzilishi tez qayta tashkil qilinsa yoki relyativistik zarralar energiyasi nurlanish va tashqi qatlamlar harakatiga o‘tsa, chiqarilayotgan moddaning o‘zi ham relyativistik bo‘lishi mumkin. Shunday relyativistik portlash yuz beradi.

Bunday ssenariy neytron yulduzi barqarorlik chegarasidan biroz yuqoridagi nisbatan tor massa oralig‘ida eng ehtimolli: kichik massada yulduz barqaror qoladi, ancha katta massada esa oraliq kvazibarqaror bosqich juda qisqa bo‘lishi mumkin.

Frozar manzarasini qanday tekshirish mumkin

Frozar nazariyasi bir nechta mustaqil kuzatuviy oqibatlar beradi. Soya chegarasining barqaror notekisliklarini va akkretsion oqimdagi yorqin sohalarning uzoq muddatli tuzilishini izlash; gravitatsion-to‘lqin signallarining kechki bosqichini o‘rganish; neytron yulduzlari chegarasidan biroz yuqoridagi oraliq o‘ta zich obyektlar hamda gloozarlarning relyativistik portlashlari bo‘lishi mumkin bo‘lgan kuchli qisqa hodisalarni qidirish kerak.

Bir nechta belgilarning bir-biriga mos kelishi ayniqsa qimmatli bo‘ladi. Masalan, soyaning barqaror notekisliklari plazmaning takroriy faol sohalari bilan bog‘liq bo‘lsa, ikki mustaqil kuzatuv kanali bir xil manbaga — markaziy obyekt maydonining notekisligiga — ishora qiladi.

Bu ikki nazariy jihatdan teng model emas

Masala ba’zan qora tuynuk va frozar ikkita teng huquqli model, kelajak kuzatuvlari esa ularning qaysi biri to‘g‘ri ekanini hal qiladi, degan tarzda qo‘yiladi. Ammo ikkala manzara ham ayni jarayonni ayni umumiy nisbiylik nazariyasi doirasida, ayni tenglamalar va fizik prinsiplardan kelib chiqib tasvirlashga da’vo qiladi.

Shuning uchun birinchi savol nazariydir: qaysi manzara haqiqatan ham shu prinsiplardan kelib chiqadi? Frozar nazariyasida javob butun kengaygan yulduzni yagona global sanoq sistemasida tasvirlab, uning barcha qatlamlarini dunyo vaqtining bir xil momentida ko‘rish orqali olinadi.

Xususiy vaqtlarning gravitatsion sekinlashishini aynan chegaraviy holatga aylanganda tashlab yuborib bo‘lmaydi. Ichki qatlamlar tashqilaridan oldin muzlaydi, sirt gravitatsion radiusga asimptotik yaqinlashadi, chekli dunyo vaqtida kesib o‘tilishi kerak bo‘lgan gorizont esa hosil bo‘lmaydi. Shu tarzda umumiy nisbiylikdan frozar kelib chiqadi.

Qora-tuynuk manzarasidagi xato nimada

Muammo umumiy nisbiylik tenglamalarida emas, balki ularning fizik talqinida. Tashqi maydonda gravitatsion vaqt sekinlashishi tan olinadi, ammo keyin moddaning global evolyutsiyasi go‘yoki bu sekinlashish keyingi kollapsga xalaqit bermayotgandek davom ettiriladi.

Bir manzarada ikki mos kelmaydigan mantiq birlashtiriladi: tashqarida xususiy vaqtlar sekinlashadigan relyativistik fazo-vaqt ishlatiladi, ichkaridagi modda taqdiri esa amalda gravitatsion chegaradan qulashni davom ettiruvchi relyativistikgacha bo‘lgan sxema bo‘yicha talqin qilinadi.

Shu sabab frozar yondashuvida qora tuynuk konsepsiyasi umumiy nisbiylik ichidagi teng huquqli alternativa emas, balki relyativistik kollapsning noto‘g‘ri fizik talqinidir. Xuddi shunday nomuvofiqlik zaryad va aylanish talqinida ham ularning energiyasi oshirilib, to‘liq massa sun’iy ravishda o‘zgarmas qoldirilganda yuzaga kelgan.

Unda kuzatuvlar nimani tekshiradi

Kuzatuvlarning ahamiyati kamaymaydi — ularning vazifasi o‘zgaradi. Ular bir nazariyaning ikki mantiqan teng variantidan birini tanlamaydi, balki umumiy nisbiylikning izchil qo‘llanishidan kelib chiqadigan aniq fizik oqibatlarni tekshiradi.

Agar frozarlar hosil bo‘lsa, ularning moddiy tuzilishi saqlanishi; superfrozarlar avvalgi yopishishlar va keyingi akkretsiya tufayli notekis bo‘lishi; maskonlar soya va akkretsion oqimga ta’sir qilishi; qo‘shilishlar strukturaviy xotirani saqlashi; oraliq massa sohasida esa gloozarlar va relyativistik portlashlar yuz berishi kerak.

Qora tuynukdan muzlagan yulduzga

Frozar manzarasi yangi gravitatsiya nazariyasini talab qilmaydi. U umumiy nisbiylikning asosiy effektlaridan biri — xususiy vaqtning gravitatsion sekinlashishini izchil qo‘llashdan boshlanadi.

Natijada ichki qatlamlar tashqi qatlamlardan oldin muzlaydi, sirt gravitatsion radiusga tobora sekin yaqinlashadi va modda fizik mavjud olamdan yo‘qolmaydi. Aylanish va zaryad bu natijani bekor qilmaydi, chunki ularning energiyasi to‘liq massaga kiradi. Qo‘shilishlar yopishishga olib keladi va notekis tuzilishni saqlaydi. Neytron yulduzi barqarorlik chegarasidan biroz yuqorida issiq gloozarlar mavjud bo‘lib, relyativistik portlashlar hosil qilishi mumkin.

Shu tarzda umumiy nisbiylikning fizik prinsiplaridan kelib chiqadigan relyativistik ixcham obyektlarning yagona manzarasi yuzaga keladi.

Xato va fan

Fizika tarixi buyuk nazariya ham uning tenglamalarini noto‘g‘ri talqin qilishdan himoya qilmasligini ko‘rsatadi. Bir tasavvurning uzoq vaqt mavjud bo‘lishi uni fizik prinsipga aylantirmaydi. Asosiy mezon — u nazariyaning boshlang‘ich prinsiplariga va izchil mantiqqa mos keladimi.

Shuning uchun qora tuynuk konsepsiyasini qayta ko‘rib chiqish umumiy nisbiylikdan voz kechishni anglatmaydi. Aksincha, gap relyativistik effektlar chegaraviy bo‘lgan joyda uning fizik prinsiplarini izchil qo‘llash haqida ketmoqda.

Bu yerda P. L. Kapitsa bilan bog‘lanadigan fikr o‘rinli: xatoning o‘zi hali soxta fan emas; soxta fan xatoni tan olmaslikdan boshlanadi.

Nazariy vazifa — umumiy nisbiylikni izchil qo‘llash. Keyingi bosqichdagi kuzatuviy vazifa esa bundan kelib chiqadigan obyektlarning aniq xususiyatlarini izlash va o‘lchashdir.

Agar umumiy nisbiylik izchil qo‘llansa, relyativistik kollapsning yakuniy natijasi qora tuynuk emas, balki frozardir.