Хар нүхний судалгаа

Хар нүх хэмээх ойлголт өнгөрөгч зууны эхээр оддын мөхлийн талаар хийж байсан эрдэмтдийн судалгаан дундаас анх урган гарчээ. Энэтхэг-америкийн астрофизикч, хожим нобелийн шагнал хүртсэн Субраманьян Чандрасекар тухайн үед цагаан одой одны онолын судалгааг хийж байв. Харьцангуй залуу одод гравитацын буюу татах хүч, дулааны энергийн үйлчлэлээр үүсэх тэлэх хүчний тэнцвэр дээр хэлбэржин оршдог. Харин энергиэ алдан хөгширч буй оддын хүчний тэнцвэр алдагдаж, дулааны тэлэх хүч багассанаас агшиж эхэлдэг. Оддын агшилт тодорхой хэмжээнд хүрч зогсох бөгөөд ийм одыг цагаан одой од хэмээн нэрлэнэ.

Агшилт зогсох шалтгааныг атомын хүчин зүйлд байгаа гэж тухайн үеийн эрдэмтэд үзэж байв. Одод агшихад түүнийг бүрдүүлэгч хийн атомууд ч мөн адил шахагдана. Гэхдээ хоорондын зайн тодорхой утгад хүрэх үед атомууд илүү шахагдах боломжгүй болно. Иймд оддын агшилт атом хоорондын зайн тодорхой утгаар хязгаарлагдана. Сонирхуулахад IC418 цагаан одой одны нягтыг ширхэг ёотонтой тэнцэх хэмжээний эзэлхүүнд хэдэн тонноор хэмжигддэгийг бодит ажиглалтаар тогтоосон байдаг. Чандрасекар цагаан одой одны нягтийг ихэсгэх тохиолдолд ямар өөрчлөлт гарахыг тооцоолж үзээд тухайн үед хэний ч төсөөлж байгаагүй үр дүнд хүрчээ. Өмнө нь одод агшиж хамгийн багадаа 10 мянган км радиустай болно гэж үзэж байсан бол Чандрасекарын тооцоогоор одны жинг нарнаас 1.4 дахин ихэсгэж үзэхэд, од өөрийн татах хүчийг давах чадваргүй болж эцэс төгсгөлгүйгээр агших дүр зураг гарав. Энэ нь хар нүхний талаархи онолын анхны томьёолол болжээ.

Хар нүхний төсөөлөл

Гэтэл 1932 онд нейтронийг илрүүлж, атомын цөм, протон болон нейтроноос тогтдог болохыг нээв. Батлагдсан шинэ онолоор оддыг бүрдүүлэгч хий хангалттай хэмжээнд хүртэл шахагдах үед тэдгээрийн атом протонтой нэгдэн нейтрон болж хувирдаг болохыг тогтоожээ. Цагаан одой од өмнө төсөөлж байснаас илүү агших боломжтой нь тодорхой болов. Үүнээс үүдэн оддын мөхлийн тодорхой шатанд нарнаас 1.4 дахин болон түүнээс илүү жинтэй одод хар нүх бус нейтрон од болон хувирна гэдгийг олонхи эрдэмтэд хүлээн зөвшөөрчээ. Өөрөөр хэлбэл одод мөхөж цагаан одой болон нейтрон одны аль нэг нь болж хувирна гэж үзэх болов.

Гэвч Принстон их сургуулийн физикч Роберт Оппенгеймер нарын зарим эрдэмтэд энэ үзэлтэй санал нийлэхгүй байв. Тооцооллын амьд бурхан хэмээгдэж байсан тэрээр Чандрасекарын адил нейтрон одны нягтыг тооцоолж үзсэн байна. Нарнаас 3 дахин их жинтэй оддын төгсгөл нейтрон одоор зогссонгүй, хязгааргүйгээр агших үр дүн гарав. Мөхөж буй аварга одод өөрийн татах хүчийг давж чадахгүйгээр барахгүй агшиж, жижгэрэх үйл явц эцэс төгсгөлгүйгээр үргэлжилдэг байна. Эцэст нь харьцангуй бага жинтэй одод мөхлийн сүүлийн шатандаа цагаан одой  болон нейтрон од болон хувирдаг бол аварга оддоос хар нүх үүсэх нь тодорхой болов.

Оддын хувьслын үе шатууд

Эдгээр судалгаануудаас гадна Эйнштэйн Харьцангуй ерөнхий онолыг боловсруулж байх явцдаа хар нүхийг урьдчилан харсан байдаг. Хар нүх онцгой шинж чанарыг агуулдаг. Гравитацийн хүчний нөлөөлөл орон зай, цаг хугацааны гажилтад хүргэдэг гэдгийг харьцангуйн онолоос мэдэж болно. Гажилт нь татах хүчний хэмжээнээс хамаарч өөр өөр байх нь мэдээж. Татах хүч ихтэй оддын ойр орчинд гажилт мөн адил их хэмжээтэй байх учир гэрлийн тархалтыг хүртэл муруйлгадаг. Татах хүчний хэмжээ ихсэх тусам гэрлийн муруйлтын өнцөг багасч эцэстээ гэрлийн бөөмс одыг тойрон эргэлдэх болно.

Нар, цагаан одой, нейтрон од болон хар нүхний ойролцоох орон зай, цаг хугацааны гажилт

Орон зай, цаг хугацааны гажилтаас үүдэн гэрэл болон бусад биет юмс оддыг тойрон эргэлдэх эгшинг "оршихуйн хязгаар" (event horizon) гэнэ. Харин татах хүчний тодорхой утга буюу "оршихуйн хязгаар"-ыг давахад гэрлийн бөөмс эргэлт буцалтгүйгээр одонд татагдан унана. Ийм оддын агшилтыг харьцангуйн онолын томёогоор тооцоолж үзвэл орон зай, цаг хугацаа эцэс төгсгөлгүйгээр (хязгааргүйгээр) гажих нь илэрхий. Тухайлбал нар 3 км, дэлхий 9 мм радиустай болон жижгэрэхэд орон зай, цаг хугацааны гажилтын хэмжээ хязгааргүйд дөхөж очно. Ийм одод (хар нүх)-оос гэрэл хүртэл зугтаж гарч чадахгүй учир түүнийг оршин байгааг ч бодитоор харах боломжгүй юм.

Хар нүхний ойролцоо гэрлийн тархалт муруйх хэлбэрүүд

Аврага одод мөхөж хар нүх болон хувирдаг болохыг өмнө нь эрдэмтэд зөвхөн онолын хүрээнд "цаасан дээр" батлаж байсан бол түүнийг орчлон ертөнцөд бодитоор оршин байгааг 1971 онд хийсэн ажиглалтаар анх илрүүлжээ. Энэ нь бараг санамсаргүй гэж хэлж болохоор үйл явдал байв. Массачусетс их сургуулийн одон орончид сансарын туяаны хэмжилт хийж байх явцдаа Хун одны орд (Cygnus)-ын орчимоос маш хүчтэй рентген туяа цацарч байгааг илрүүлсэн байна. Гэвч тухайн орд хэт олон одыг агуулах учир яг аль нь туяа цацруулж байгааг мэдэх боломжгүй байжээ.

Харин судалгаанд оролцож байсан японы астрофизикч Ода Минорү амьтны дэлгүүрт байх үедээ оддын рентген туяаны чиглэлийг тодорхойлох аргыг санамсаргүй олж харсан байна. Усан хулганыг гүйлгэхэд зориулагдсан эргэлдэгч замын эсрэг талд байрлах зүйлс заримдаа тод харагдаж, заримдаа бүдгэрч байснаас санаа авч тор хэлбэрийн шүүлтүүрийг зохион бүтээв. Түүнийг сансарын туяа хүлээн авагч төхөөрөмжийн өмнө 2-оос дээш тоогоор давхарлан байрлалыг өөрчлөх замаар рентген туяа цацаргаж байх магадлалтай оддын орон зайн хэмжээг 10 дахин багасгасан тодорхойлсон байна.

Хун одны орд

Дараа нь хэмжилтийн төхөөрөмжүүдийг сайжруулан, хиймэл дагуулын тусламжтайгаар рентген туяа цацарч байгаа байрлалыг 6000 гэрлийн жилийн зайд яг таг тогтоосон боловч тэнд ямар ч од байсангүй. Харин түүний ойролцоо нарнаас 30 дахин их жинтэй аварга хөх од байгааг илрүүлжээ. Сонирхолтой нь уг одны гэрэлтэлт 5,6 хоногийн тодорхой давтамжтайгаар өөрчлөгдөж байв. Энэ нь түүнийг ямар нэгэн биетийг тойрон эргэлдэж байгаа гэсэн дүгнэлт гаргахад хүргэнэ. Аварга одыг эргэлдэн хөдөлгөхөд түүний ойр орчимд түүнтэй дүйцэхүйц хэмжээний аварга од байх шаардлагатай. Харин хөх одны эргэлт болон жингийн үзүүлэлтээс түүнийг эргэлдэхэд хүргэсэн илүү том одны жинг тооцоолох боломжтой юм. Тооцоогоор нарнаас 10 дахин хүнд жинтэй үл үзэгдэгч од байгааг тогтоожээ.

Нэгэнт гэрэл ялгаруулдаггүй, үл үзэгдэгч од учир хар нүх байх магадлалтай гэсэн дүгнэлтэд хүрч түүнийг бодитоор оршин байгааг шинжлэх ухааны түүхэнд илрүүлсэн хамгийн анхны тохиолдолд тооцогдох болов. Уг хар нүхийг Cygnus X-1 гэж нэрлэх болсон байна. Хар нүхнээс гэрэл хүртэл зугтаж чадахгүй учир рентген туяаг цацруулах боломжгүй нь тодорхой юм. Cygnus X-1 хар нүх түүний ойролцоох аварга хөх одтой бараг барьцалдсан байдлаар нэг нэгнээ тойрох хөдөлгөөн хийдэг байна. Ийм нөхцөлд хар нүх ойролцоох одны хийн бүрхүүлийг сорж эхэлдэг. Сорогдсон хий хар нүхний "оршихуйн хязгаар"-ыг даваагүй нөхцөлд түүнийг тойрон эргэлдэх бөгөөд үрэлтээс үүдэн 10 сая градус хүртэл халдаг байна. Энэхүү халалтын нөлөөлгөөр асар их хэмжээний рентген туяаг цацаргадаг ажээ.

Cygnus X-1 хар нүхний төсөөлөл

Одод унтарч хар нүх болон хувирна. Тэдгээр нь ойролцоох бүх зүйлсийг сорон авах боловч эцэс төгсгөлгүйгээр агшиж жижгэрнэ. Хар нүхнүүд нэг нэгнээ сорон авч орчлон ертөнц эцэстээ цорын ганц аварга том хар нүх болон хувирах мэт төсөөлөгдөж магад. Гэвч орчлон ертөнц хязгааргүйгээр тэлж байгаа нь судалгаагаар нэгэнт батлагдсан учир түүний төгсгөлийг зөвхөн хар нүхтэй холбон ойлгох нь учир дутагдалтай юм. Гэхдээ ихэнх галактикийн төвд заавал нэг аварга хар нүх оршин байдаг нь тогтоогджээ. Эдгээр нь хамгийн анх илрүүлсэн Cygnus X-1-ээс 10 - 15 дахин, нарнаас хэдэн зуугаас хэдэн мянга дахин илүү жинтэй байдаг байна.

Харин ийм аварга хар нүх одыг сорох үйл явцыг өнгөрсөн оны 3 сард түүхэнд анх удаа ажиглажээ. Нарны аймгаас 3,8 тэрбум гэрлийн жилийн зайд байрлах Луу одны орд (Draco constellation)-ын нэгэн хар нүх орчимоос асар хүчтэй рентген туяа цацарч байгааг бүртгэн авсан боловч 7 хоногийн дараа уг цацрал ажиглагдахаа больжээ. Энэ нь хар нүх одыг хумхын тоос болгон бяцлаж, сорох явцад үүссэн рентген туяа юм. Өнөөдрийг хүртэл хар нүхийг хэн ч "харж", түүний "зургийг авч" чадаагүй байна. Хар нүх хэдийгээр харагдахгүй боловч сорогдохын өмнөхөн түүнийг тойрон эргэлдэж буй хий халж гэрэлтэх ёстой. "Хар нүхний сүүдэр" хэмээн нэрлэгдэх уг хийн гэрлийг харах боломжтой хэмээн эрдэмтэд найдаж байгаа юм. Мөн компьютерийн симуляцийн үндсэн дээр хар нүхний сүүдэр ямархуу байдалтай харагдахыг тодорхойлоод байгаа юм.

Аварга хар нүхэнд сорогдож буй одны рентген туяаны зураг

Одон орончид цаашид илүү нарийвчилсан судалгаануудыг хийхээр төлөвлөж байна. Тухайлбал АНУ-ын Бостон дахь MIT Haystack одон орныг судлах төвд дэлхийн өнцөг булан бүрт байрлах телескопуудын ажиглалтын мэдээллийг нэгтгэн судлаж эхлээд байна. Мөн Калифорни, Хавай, Чили улсад байрлах харьцангуй өндөр хүчин чадал бүхий телескопуудыг нэгэн зэрэг ашиглах замаар сансарын аварга том хийсвэр дуран үүсгэж хар нүхний судалгаанд ашиглахаар төлөвлөжээ. Үүнээс гадна Японы Сансар судлалын агентлаг JAXA одоогийнхоос 100 дахин их хүчин чадал бүхий рентген туяаны Astro-H сансарын дуран бүхий хиймэл дагуулыг 2014 онд хөөргөхөөр төлөвлөөд байна.

"Хар нүхний сүүдэр"-ийн төсөөлөл

эх сурвалж, NHK

Одон орон, Сансар судлал