Quang học của lỗ đen

8

V. Boltyansky

Quang học của lỗ đen

Từ biên tập viên
Hiện nay, công việc chuyên sâu đang được thực hiện để nghiên cứu các vật thể không gian xa xôi. Sự phát triển của các phương pháp nghiên cứu vật lý thiên văn hiện đại giúp có thể tích lũy tài liệu thực nghiệm khổng lồ và mở rộng lĩnh vực quan sát thiên văn.

Cùng với nghiên cứu thực nghiệm, rất nhiều công việc đang được thực hiện để tạo ra các mô hình lý thuyết khác nhau nhằm giải thích sự xuất hiện và phát triển của những vật thể thiên văn bí ẩn, theo nhiều cách, như siêu tân tinh, tinh vân, quasar, pulsar, v.v.

Lỗ đen thu hút sự chú ý đặc biệt. According to modern concepts, black holes are huge clumps of matter in a state of monstrous decline. All particles falling into a certain vicinity of a black hole are irrevocably drawn into it and “disappear.” No information reaches the observer from the vicinity of the black hole.

Trong số tạp chí này, chúng tôi xuất bản một bài báo của Thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Sư phạm Liên Xô, Giáo sư V. G. Boltyansky, trong đó một trong những mô hình có thể có của hiện tượng này được mô tả phổ biến. The proposed model was mathematically strictly calculated by the author; các kết luận rút ra từ mô hình toán học này phần lớn trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm đã biết.

Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, sự hiện diện của khối lượng làm thay đổi tính chất của không gian xung quanh, như thể không gian bị cong. Ánh sáng truyền gần một vật thể nặng, chẳng hạn như Mặt trời, không di chuyển theo đường thẳng mà theo một đường cong.

Kết luận lý thuyết này được xác nhận bằng các thí nghiệm.

Ví dụ: trong nhật thực toàn phần, bạn có thể quan sát các ngôi sao mà theo tính toán chính xác, tại thời điểm này nằm phía sau rìa Mặt trời và không thể tiếp cận được để quan sát từ Trái đất. Chúng trở nên nhìn thấy được vì các tia sáng phát ra từ các ngôi sao, truyền gần Mặt trời, bị bẻ cong (các đường liền nét màu xanh lam trong Hình 1). Kết quả là, các ngôi sao dường như ở khoảng cách góc lớn hơn so với khi không có Mặt trời (các đường chấm). Độ cong của chùm ánh sáng khi nó đi gần bề mặt Mặt trời là khoảng 1,75 giây cung.

Nếu toàn bộ khối lượng của Mặt trời được định vị trong một thể tích rất nhỏ (chẳng hạn như trong một quả bóng có bán kính 1 km), thì với độ dốc (thu gọn) mạnh như vậy của “Mặt trời”, sự bẻ cong của các tia sáng đi qua nó sẽ ngày càng dễ nhận thấy hơn khi khoảng cách từ “Mặt trời” đến một điểm gần đó trong quỹ đạo ánh sáng giảm đi. Trong hình 1.

10

Được quan sát $E$ như thể từ vùng lân cận của một lỗ đen. Nhờ đó, lỗ đen sẽ được coi là một vật thể có độ sáng cực cao. Ở trung tâm của một vật thể như vậy, cần quan sát thấy một điểm đen nhỏ, kích thước góc của điểm này bằng $\varphi = 2r/d$, trong đó $r$ là bán kính của quả cầu Schwarzschild và $d$ là khoảng cách từ $E$ được quan sát đến lỗ đen $O$. Tất nhiên, điểm đen này có thể được phát hiện nếu độ phân giải của thiết bị $E$ lớn hơn $\varphi$ (nghĩa là thiết bị cho phép quan sát hai điểm riêng biệt, khoảng cách góc giữa chúng là $\varphi$).

Chẳng phải hiệu ứng tập trung giải thích cho năng lượng khổng lồ của các chuẩn tinh khổng lồ được các nhà vật lý thiên văn quan sát thấy sao? Chẳng phải những chuẩn tinh này là những lỗ đen khổng lồ không tự phát ra bất cứ thứ gì mà chỉ tỏa sáng bằng ánh sáng của người khác sao?

Một hiện tượng quang học khác liên quan đến lỗ đen xảy ra nếu lỗ đen nằm hoàn toàn giữa ngôi sao được quan sát $E$ và ngôi sao $S$. Trong trường hợp này, trong mỗi mặt phẳng chứa đường $ES$, có vô số quỹ đạo (về mặt lý thuyết) mà ánh sáng từ ngôi sao $S$ đi tới ngôi sao được quan sát $E$. Hai quỹ đạo ngoài cùng này là các tia tới từ ngôi sao, chúng chỉ hơi cong, đi gần lỗ đen $O$; các tia còn lại trên đường từ $S$ đến $E$ thực hiện những vòng quay khác nhau xung quanh lỗ đen (Hình 5).

Hình ảnh quỹ đạo ánh sáng như vậy sẽ được quan sát thấy trong bất kỳ mặt phẳng nào chứa đường thẳng $ES$. Do đó, $E$ được quan sát sẽ nhìn thấy ngôi sao $S$ dưới dạng một hệ các vòng đồng tâm, hầu hết chúng đều có đường kính góc nhìn thấy được $2\varphi$, trong đó $\varphi$ là góc mà tia tới từ ngôi sao tới cạnh quan sát tạo thành đường thẳng $ES$. Nếu khoảng cách $ES$ lớn đến mức vật được quan sát không phân giải được (không nhìn thấy riêng biệt) các điểm, khoảng cách góc giữa chúng là $2\varphi$ mà chỉ cố định độ sáng, thì anh ta, không biết về sự tồn tại của lỗ đen, dường như nhìn thấy ngôi sao $S$ xuyên qua nó. Trong trường hợp này, ngôi sao được quan sát sẽ nhìn thấy một ngôi sao sáng hơn nhiều so với khi nó được quan sát gián tiếp (trong trường hợp không có lỗ đen).

Nếu một ngôi sao đang chuyển động, trong quá trình chuyển động của nó, đi qua đường thẳng $EO$, đường nối lỗ đen được quan sát (trong Hình 5, mũi tên màu đỏ chỉ hướng chuyển động của ngôi sao), thì đôi khi ngôi sao này sẽ được coi là một vật thể siêu sáng. Vật thể này sẽ xuất hiện bên ngoài khi ngôi sao tiến đến đường $EO$ và sau một thời gian nó sẽ tắt. Có lẽ đây là lý do giải thích hiện tượng thiên văn mưa đá hiếm khi được quan sát - vụ nổ siêu tân tinh?

Chúng tôi đã kiểm tra một mô hình toán học mô tả các vật thể thiên văn siêu sáng không phải là nguồn năng lượng cực cao mà là hiện tượng quang học. Mọi người cảm thấy thế nào về mô hình này? Đây là khoa học viễn tưởng hay thực tế?

(Cuối cùng xem trang 17)