Кожна людина, що знайомиться з астрономією, рано чи пізно відчуває сильну цікавість щодо найзагадковіших об'єктів Всесвіту - чорних дірок. Це справжні володарі мороку, здатні «проковтнути» будь-який атом, що проходить поблизу, і не дати вислизнути навіть світлу, - настільки потужне їхнє тяжіння. Ці об'єкти є справжньою проблемою для фізиків та астрономів. Перші поки що не можуть зрозуміти, що ж відбувається з речовиною, що впала всередину чорної діри, а другі хоч і пояснюють найенерговитратніші явища космосу існуванням чорних дірок, ніколи не мали можливості спостерігати жодну з них безпосередньо. Ми розповімо про ці найцікавіші небесні об'єкти, з'ясуємо, що вже було відкрито і що ще доведеться дізнатися, щоб підняти завісу таємниці.

Що таке чорна дірка?

Назва «чорна діра» (англійською - black hole) була запропонована в 1967 році американським фізиком-теоретиком Джоном Арчібальдом Вілером (див. фото зліва). Воно служило для позначення небесного тіла, тяжіння якого настільки сильне, що не відпускає від себе навіть світло. Тому вона і «чорна», що не випромінює світла.

Непрямі спостереження

У цьому криється причина такої таємничості: оскільки чорні діри не світяться, ми не можемо побачити їх безпосередньо і змушені шукати та вивчати їх, використовуючи лише непрямі свідчення, які їхнє існування залишає у навколишньому просторі. Інакше кажучи, якщо чорна діра поглинає зірку, ми бачимо чорну діру, але можемо спостерігати руйнівні наслідки впливу її потужного гравітаційного поля.

Інтуїція Лапласа

Незважаючи на те, що вираз «чорна діра» для позначення гіпотетичної фінальної стадії еволюції зірки, що сколапсувала під впливом сили тяжіння, з'явилося порівняно недавно, ідея про можливість існування таких тіл виникла більше двох століть тому. Англієць Джон Мічелл і француз П'єр-Сімон де Лаплас незалежно один від одного висунули гіпотезу про існування «невидимих ​​зірок»; при цьому вони ґрунтувалися на звичайних законах динаміки та законі всесвітнього тяжіння Ньютона. Сьогодні чорні дірки отримали свій правильний опис на основі загальної теорії відносності Ейнштейна.

У своїй праці «Виклад системи світу» (1796) Лаплас писав: «Яскрава зірка тієї ж щільності, що і Земля, діаметром, що в 250 разів перевершує діаметр Сонця, завдяки своєму гравітаційному тяжінню не дозволила б світловим променям дістатися до нас. Отже, можливо, що найбільші та найяскравіші небесні тіла з цієї причини є невидимими».

Непереможне тяжіння

В основі ідеї Лапласа лежало поняття швидкості втікання (другої космічної швидкості). Чорна діра є настільки щільним об'єктом, що її тяжіння здатне затримати навіть світло, що розвиває найбільшу в природі швидкість (майже 300 000 км/с). На практиці, щоб втекти з чорної дірки, потрібна швидкість вище швидкості світла, але це неможливо!

Це означає, що зірка такого роду буде невидимою, оскільки навіть світла не вдасться подолати її потужну гравітацію. Ейнштейн пояснював цей факт через явище відхилення світла під впливом гравітаційного поля. Насправді поблизу чорної діри простір-час настільки викривлений, що траєкторії світлових променів також замикаються на самих собі. Для того, щоб перетворити Сонце на чорну дірку, ми повинні будемо зосередити всю його масу в кулі радіусом 3 км, а Земля повинна буде перетворитися на кульку радіусом 9 мм!

Види чорних дірок

Ще близько десяти років тому спостереження дозволяли припустити існування двох видів чорних дірок: зоряних, маса яких порівнянна з масою Сонця або не набагато перевищує її, і надмасивних, маса яких - від кількох сотень тисяч до багатьох мільйонів мас Сонця. Однак відносно недавно рентгенівські зображення та спектри високої роздільної здатності, отримані зі штучних супутників типу «Чандра» і «ХММ-Ньютон», вивели на авансцену третій тип чорної дірки - з масою середньої величини, що перевищує масу Сонця в тисячі разів.

Зоряні чорні дірки

Зоряні чорні діри стали відомі раніше за інших. Вони формуються тоді, коли зірка великої маси наприкінці свого еволюційного шляху вичерпує запаси ядерного пального і колапсує сама через свою гравітацію. Приголомшливий зірку вибух (це явище відоме під назвою «вибуху наднової») має катастрофічні наслідки: якщо ядро ​​зірки перевершує масу Сонця більш ніж у 10 разів, жодна ядерна сила не здатна протистояти гравітаційному колапсу, результатом якого буде поява чорної діри.

Надмасивні чорні дірки

Інше походження мають надмасивні чорні дірки, які вперше відмічені в ядрах деяких активних галактик. Щодо їх народження є кілька гіпотез: зіркова чорна діра, яка протягом мільйонів років пожирає всі зірки, що її оточують; скупчення чорних дір, що злилося воєдино; колосальна газова хмара, що колапсує безпосередньо в чорну дірку. Ці чорні дірки є одними з найбільш насичених енергією об'єктів космосу. Вони розташовані в центрах багатьох галактик, якщо не всіх. Наша Галактика теж має таку чорну дірку. Іноді завдяки наявності такої чорної дірки ядра цих галактик стають дуже яскравими. Галактики з чорними дірками в центрі, оточеними великою кількістю падаючої речовини і, отже, здатними виробити колосальну кількість енергії, називаються «активними», які ядра - «активними ядрами галактик» (AGN). Наприклад, квазари (найвіддаленіші від нас космічні об'єкти, доступні нашому спостереженню) є активними галактиками, у яких бачимо лише дуже яскраве ядро.

Середні та «міні»

Ще однією таємницею залишаються чорні діри середньої маси, які, згідно з недавніми дослідженнями, можуть опинитися в центрі деяких кульових скупчень, таких, як М13 і NCC 6388. Багато астрономів висловлюються про ці об'єкти скептично, але деякі новітні дослідження дозволяють припустити наявність чорних дір. середніх розмірів навіть неподалік центру нашої Галактики. Англійський фізик Стівен Хокінг висунув також теоретичне припущення про існування четвертого виду чорної дірки - "міні-дірки" з масою лише в мільярд тонн (що приблизно дорівнює масі великої гори). Йдеться про первинні об'єкти, тобто з'явилися в перші миті життя Всесвіту, коли тиск був ще дуже високий. Втім, поки що не виявлено жодного сліду їхнього існування.

Як знайти чорну дірку

Лише кілька років тому над чорними дірками «засвітилося світло». Завдяки приладам і технологіям (як наземним, так і космічним), що постійно вдосконалюються, ці об'єкти стають все менш загадковими; точніше, менш загадковим стає навколишній простір. Справді, якщо сама чорна діра невидима, ми можемо розпізнати її тільки в тому випадку, якщо вона оточена достатньою кількістю речовини (зірок та гарячого газу), що обертається навколо неї на невеликому видаленні.

Спостерігаючи за подвійними системами

Деякі зоряні чорні дірки були виявлені в процесі спостереження орбітального руху зірки навколо невидимого компаньйона за подвійною системою. Тісні подвійні системи (тобто складаються з двох дуже близьких одна до одної зірок), один із компаньйонів у яких невидимий, - улюблений об'єкт спостережень астрофізиків, що шукають чорні дірки.

Вказівкою на наявність чорної діри (або нейтронної зірки) є сильна емісія рентгенівських променів, викликана складним механізмом, який можна схематично описати наступним чином. Завдяки своїй потужній гравітації чорна діра може виривати речовину із зірки-компаньйона; цей газ розподіляється у формі плоского диска та падає по спіралі в чорну дірку. Тертя, що виникає в результаті зіткнень частинок падаючого газу, нагріває внутрішні шари диска до декількох мільйонів градусів, що викликає потужне випромінювання рентгенівських променів.

Спостереження у рентгенівських променях

Проведені вже кілька десятиліть спостереження в рентгенівських променях об'єктів нашої Галактики та сусідніх галактик дозволили виявити компактні подвійні джерела, приблизно десяток з яких є системами, що містять кандидатів у чорні дірки. Основною проблемою є визначення маси невидимого небесного тіла. Значення маси (нехай і не дуже точне) можна знайти, вивчаючи рух компаньйона або набагато важче, вимірюючи інтенсивність рентгенівського випромінювання падаючої речовини. Ця інтенсивність пов'язана рівнянням з масою тіла, на яке падає ця речовина.

Нобелівський лауреат

Щось подібне можна сказати і щодо надмасивних чорних дірок, що спостерігаються в ядрах багатьох галактик, маси яких оцінюються через вимірювання орбітальних швидкостей газу, що провалюється в чорну дірку. У цьому випадку викликане потужним гравітаційним полем дуже великого об'єкта швидке зростання швидкості газових хмар, що обертаються по орбіті в центрі галактик, виявляється спостереженнями в радіодіапазоні, а також оптичних променях. Спостереження в рентгенівському діапазоні можуть підтвердити підвищене виділення енергії, спричинене падінням речовини усередину чорної діри. Дослідження в рентгенівських променях на початку 1960-х років почав працював у США італієць Ріккардо Джакконі. Присуджена йому в 2002 Нобелівська премія стала визнанням його «новаторського внеску в астрофізику, що призвело до відкриття в космосі джерел рентгенівського випромінювання».

Лебідь X-1: перший кандидат

Наша Галактика не застрахована від наявності об'єктів-кандидатів у темні діри. На щастя, жоден з цих об'єктів не є настільки близьким до нас, щоб становити небезпеку для існування Землі або Сонячної системи. Незважаючи на велику кількість зазначених компактних джерел рентгенівського випромінювання (а це найімовірніші кандидати для знаходження там чорних дірок), у нас немає впевненості в тому, що вони насправді містять чорні дірки. Єдиним серед цих джерел, які не мають альтернативної версії, є тісна подвійна система Лебідь X-1, тобто найбільш яскраве джерело рентгенівського випромінювання, у сузір'ї Лебідь.

Масивні зірки

Ця система, орбітальний період якої становить 5,6 діб, складається з дуже яскравої блакитної зірки великого розміру (її діаметр 20 разів перевищує сонячний, а маса - приблизно в 30 разів), легко помітної навіть у ваш телескоп, і невидимої другої зірки, маса якої оцінюється у кілька сонячних мас (до 10). Розташована на відстані 6500 світлових років від нас друга зірка була б добре видно, якби вона була звичайною зіркою. Її невидимість, що виробляється системою потужне рентгенівське випромінювання і, нарешті, оцінка маси змушують більшість астрономів думати про те, що це перший підтверджений випадок виявлення зоряної чорної діри.

Сумніви

Втім, є і скептики. Серед них один із найбільших дослідників чорних дірок фізик Стівен Хокінг. Він навіть уклав парі з американським колегою Кілом Торном - затятим прихильником класифікації об'єкта Лебідь X-1 як чорної діри.

Суперечка про сутність об'єкта Лебідь X-1 - не єдине парі Хокінга. Присвятивши кілька дев'ятиріч теоретичним дослідженням чорних дірок, він переконався в помилковості своїх колишніх уявлень про ці загадкові об'єкти. Зокрема, Хокінг припускав, що речовина після падіння в чорну дірку зникає назавжди, а з нею зникає і весь її інформаційний багаж. Він був настільки в цьому впевнений, що уклав на цю тему 1997 року парі з американським колегою Джоном Прескйллом.

Визнання помилки

21 липня 2004 року у своєму виступі на конгресі з теорії відносності у Дубліні Хокінг визнав правоту Прескілла. Чорні дірки не призводять до повного зникнення речовини. Понад те, вони мають певного роду «пам'яттю». Усередині них можуть зберігатися сліди того, що вони поглинули. Таким чином, «випаровуючись» (тобто повільно випромінюючи випромінювання внаслідок квантового ефекту), вони можуть повертати цю інформацію нашому Всесвіту.

Чорні дірки в Галактиці

Астрономи ще мають багато сумнівів щодо наявності в нашій Галактиці зоряних чорних дірок (подібних до тієї, що належить подвійній системі Лебідь X-1); але щодо надмасивних чорних дірок сумнівів набагато менше.

В центрі

У нашій Галактиці є щонайменше одна надмасивна чорна діра. Її джерело, відоме під ім'ям Стрілець А*, точно локалізоване в центрі площини Чумацького Шляху. Його назва пояснюється тим, що це найпотужніший радіоджерело в сузір'ї Стрілець. Саме в цьому напрямку розташовані як геометричний, так і фізичний центр нашої галактичної системи. Надмасивна чорна діра, що знаходиться на відстані близько 26000 світлових років від нас, пов'язана з джерелом радіохвиль Стрілець А*, має масу, яка оцінюється приблизно в 4 млн сонячних мас, ув'язнених у просторі, обсяг якого порівняний з обсягом Сонячної системи. Її відносна близькість до нас (ця надмасивна чорна діра, без сумніву, найближча до Землі) стала причиною того, що останніми роками об'єкт зазнав особливо глибокого дослідження за допомогою космічної обсерваторії «Чандра». З'ясувалося, зокрема, що він також є потужним джерелом рентгенівського випромінювання (але не настільки потужним, як джерела в активних ядрах галактик). Стрілець А*, можливо, є «сплячим» залишком того, що мільйони чи мільярди років тому було активним ядром нашої Галактики.

Друга чорна діра?

Втім, деякі астрономи вважають, що у нашій Галактиці є ще один сюрприз. Йдеться про другу чорну дірку середньої маси, що утримує разом скупчення молодих зірок і не дозволяє їм впасти в надмасивну чорну дірку, розташовану в центрі самої Галактики. Як же може бути, щоб на відстані менше одного світлового року від неї могло знаходитися зоряне скупчення віку, що ледь досяг 10 млн років, тобто, за астрономічними мірками, дуже молоде? На думку дослідників, відповідь полягає в тому, що скупчення народилося не там (середовище навколо центральної чорної діри занадто вороже для зіркоутворення), але було «притягнуте» туди завдяки існуванню всередині нього другої чорної діри, яка і має масу середніх значень.

На орбіті

Окремі зірки скупчення, притягнуте надмасивною чорною діркою, почали зміщуватися у бік галактичного центру. Однак замість того, щоб розсіятися в космосі, вони залишаються зібраними разом завдяки притягненню другої чорної дірки, розташованої в центрі скупчення. Маса цієї чорної дірки може бути оцінена на підставі її здатності тримати «на повідку» ціле зоряне скупчення. Чорна діра середніх розмірів, мабуть, здійснює оберт навколо центральної чорної діри приблизно за 100 років. Це означає, що тривалі спостереження багато років дозволять нам її «побачити».

Чорні дірки, темна матерія, темна речовина… Це, безперечно, найдивніші та загадкові об'єкти у космосі. Їхні химерні властивості можуть кинути виклик законам фізики Всесвіту і навіть природі існуючої дійсності. Щоб зрозуміти, що таке чорні дірки, вчені пропонують “змінити орієнтири”, навчитися думати нестандартно й застосувати трохи фантазії. Чорні дірки утворюються з ядер супер масивних зірок, які можна охарактеризувати як область простору, де величезна маса зосереджена в порожнечі, і нічого навіть світло не може там уникнути гравітаційного тяжіння. Це та область, де друга космічна швидкість перевищує швидкість світла: І чим масивніший об'єкт руху, тим швидше він повинен рухатися для того, щоб позбавитися сили своєї тяжкості. Це відомо як друга космічна швидкість.

Енциклопедія Кольєра називає чорними дірками область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її залишити. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; фізичні процеси, що відбуваються всередині чорної діри, не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина та випромінювання вільно падає крізь неї у чорну дірку, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій".

Історія відкриття

Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном в 1915) та іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р. Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. Але властивості простору і часу в околиці що астрономи та фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Проте астрономічні відкриття у середині 1960-х років змусили глянути на чорні дірки як на можливу фізичну реальність. Нові відкриття та вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір та час, проливаючи світло на мільярди космічних таємниць.

Освіта чорних дірок

Поки що у надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під впливом власної гравітації. Однак згодом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що й маса зірки вбирається у трьох мас Сонця, вона виграє “битву з гравітацією”: її гравітаційний колапс буде зупинено тиском “виродженого” речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик чи нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під обрій подій, ставши чорною діркою.

Чорна діра - дірка від бублика?

Те, що не випромінює світло, помітити непросто. Одним із способів пошуку чорної діри є пошук областей у відкритому космосі, які мають велику масу і знаходяться в темному просторі. При пошуку подібних типів об'єктів астрономи виявили їх у двох основних областях: у центрах галактик та у подвійних зіркових системах нашої Галактики. Загалом, як припускають вчені, існує десятки мільйонів таких об'єктів.

Через нещодавнє зростання інтересу до створення науково-популярних фільмів на тему освоєння космосу сучасний глядач чув про такі явища як сингулярність, або чорна діра. Проте, кінофільми, зрозуміло, не розкривають всієї природи цих явищ, інколи ж навіть спотворюють побудовані наукові теорії для більшої ефектності. З цієї причини уявлення багатьох сучасних людей про зазначені явища або зовсім поверхово, або зовсім помилково. Одним із рішень проблеми, що виникла, є дана стаття, в якій ми спробуємо розібратися в існуючих результатах досліджень і відповісти на питання - що таке чорна діра?

У 1784-му році англійський священик і дослідник природи Джон Мічелл вперше згадав у листі Королівському товариству якесь гіпотетичне масивне тіло, яке має настільки сильне гравітаційне тяжіння, що друга космічна швидкість для нього перевищуватиме швидкість світла. Друга космічна швидкість - це швидкість, яка буде потрібна відносно малому об'єкту, щоб подолати гравітаційне тяжіння небесного тіла і вийти за межі замкнутої орбіти навколо цього тіла. Згідно з його розрахунками, тіло із щільністю Сонця і з радіусом у 500 сонячних радіусів матиме на своїй поверхні другу космічну швидкість, що дорівнює швидкості світла. У такому разі навіть світло не залишатиме поверхню такого тіла, а тому дане тіло лише поглинатиме світло, що надходить, і залишиться непомітним для спостерігача - якоюсь чорною плямою на тлі темного космосу.

Однак концепція надмасивного тіла, запропонована Мічеллом, не привертала до себе великого інтересу, аж до робіт Ейнштейна. Нагадаємо, що останній визначив швидкість світла як граничну швидкість передачі. Крім того, Ейнштейн розширив теорію тяжіння для швидкостей, близьких до швидкості світла (). Внаслідок цього до чорних дірок вже не було актуально застосовувати ньютонівську теорію.

Рівняння Ейнштейна

В результаті застосування ОТО до чорних дірок та розв'язання рівнянь Ейнштейна були виявлені основні параметри чорної діри, яких всього три: маса, електричний заряд та момент імпульсу. Слід зазначити значний внесок індійського астрофізика Субраманіяна Чандрасекара, який створив фундаментальну монографію: «Математична теорія чорних дірок».

Таким чином, рішення рівнянь Ейнштейна представлено чотирма варіантами для чотирьох можливих видів чорних дірок:

• ЧД без обертання та без заряду – рішення Шварцшильда. Один із перших описів чорної діри (1916 рік) за допомогою рівнянь Ейнштейна, проте без урахування двох із трьох параметрів тіла. Рішення німецького фізика Карла Шварцшильда дозволяє вирахувати зовнішнє гравітаційне поле сферичного масивного тіла. Особливість концепції ЧД німецького вченого полягає в наявності горизонту подій і прихованої за ним. Також Шварцшильд вперше обчислив гравітаційний радіус, який одержав його ім'я, визначальний радіус сфери, де розташовувався б горизонт подій для тіла з цією масою.
• ЧД без обертання із зарядом - рішення Рейснера-Нордстрема. Рішення, висунуте у 1916-1918 роках, що враховує можливий електричний заряд чорної діри. Даний заряд не може бути як завгодно великим і обмежений через електричне відштовхування. Останнє має компенсуватися гравітаційним тяжінням.
• ЧД із обертанням і без заряду – рішення Керра (1963 рік). Чорна діра, що обертається, Керра відрізняється від статичної, наявністю так званої ергосфери (про цю та ін. складових чорної діри - читайте далі).
• ЧД із обертанням та із зарядом — Рішення Керра — Ньюмена. Дане рішення було обчислено в 1965 році і на даний момент є найбільш повним, оскільки враховує всі три параметри ЧД. Однак, все ж таки передбачається, що в природі чорні дірки мають несуттєвий заряд.

Освіта чорної дірки

Існує кілька теорій про те, як утворюється і з'являється чорна дірка, найвідоміша з яких – виникнення в результаті гравітаційного колапсу зірки із достатньою масою. Таким стиском може закінчуватися еволюція зірок з масою більше трьох мас Сонця. Після завершення термоядерних реакцій усередині таких зірок вони починають прискорено стискатися в надщільну. Якщо тиск газу нейтронної зірки неспроможна компенсувати гравітаційні сили, тобто маса зірки долає т.зв. межа Оппенгеймера - Волкова, то колапс продовжується, внаслідок чого матерія стискається в чорну дірку.

Другий сценарій, що описує народження чорної діри - стиснення протогалактичного газу, тобто міжзоряного газу, що знаходиться на стадії перетворення на галактику або якесь скупчення. У разі недостатнього внутрішнього тиску компенсації тих же гравітаційних сил може виникнути чорна діра.

Два інших сценарії залишаються гіпотетичними:

• Виникнення ЧД у результаті – т.зв. первинні чорні дірки.
• Виникнення внаслідок перебігу ядерних реакцій за високих енергій. Приклад таких реакцій – експерименти на колайдерах.

Структура та фізика чорних дірок

Структура чорної діри за Шварцшильдом включає всього два елементи, про які згадувалося раніше: сингулярність та обрій подій чорної діри. Коротко кажучи про сингулярність, можна відзначити, що через неї неможливо провести пряму лінію, а також, що в ній більшість існуючих фізичних теорій не працюють. Таким чином, фізика сингулярності сьогодні залишається загадкою для вчених. чорної діри - це якась межа, перетинаючи яку, фізичний об'єкт втрачає можливість повернутися назад за її межі і однозначно «впаде» у сингулярність чорної діри.

Будова чорної діри дещо ускладнюється у разі рішення Керра, а саме за наявності обертання ЧД. Рішення Керра має на увазі наявність у дірки ергосфери. Ергосфера - якась область, що знаходиться зовні обрії подій, усередині якої всі тіла рухаються у напрямку обертання чорної діри. Дана область ще не є захоплюючою і її можна покинути, на відміну від горизонту подій. Ергосфера, ймовірно, є деяким аналогом акреційного диска, що представляє речовина, що обертається навколо масивних тіл. Якщо статична чорна діра Шварцшильда представляється як чорної сфери, то ЧД Керрі, з наявності ергосфери, має форму сплюснутого еліпсоїда, як якого ми часто бачили ЧД на малюнках, у старих кінофільмах чи відеоіграх.

• Скільки важить чорна діра? - Найбільший теоретичний матеріал щодо виникнення чорної діри є для сценарію її появи в результаті колапсу зірки. У такому разі максимальна маса нейтронної зірки та мінімальна маса чорної діри визначається межею Оппенгеймера - Волкова, згідно з яким нижня межа маси ЧД становить 2.5 - 3 маси Сонця. Найважча чорна діра, яку вдалося виявити (у галактиці NGC 4889), має масу 21 млрд мас Сонця. Однак, не варто забувати і про ЧД, що гіпотетично виникають в результаті ядерних реакцій при високих енергіях, на кшталт тих, що на колайдерах. Маса таких квантових чорних дірок, інакше кажучи, «планківських чорних дірок» має порядок, а саме 2·10 −5 г.
• Розмір чорної дірки. Мінімальний радіус ЧД можна обчислити з мінімальної маси (2.5 - 3 маси Сонця). Якщо гравітаційний радіус Сонця, тобто область, де був би горизонт подій, становить близько 2,95 км, то мінімальний радіус ЧД 3-х сонячних мас буде близько дев'яти кілометрів. Такі відносно малі розміри не вкладаються в голові, коли йдеться про масивні об'єкти, що притягають усе довкола. Однак, для квантових чорних дірок радіус дорівнює - 10-35 м.
• Середня щільність чорної дірки залежить від двох параметрів: маси та радіусу. Щільність чорної діри з масою близько трьох мас Сонця становить близько 6 · 10 26 кг/м³, тоді як густина води 1000 кг/м³. Проте, такі малі чорні дірки не знайшли ученими. Більшість виявлених ЧД мають масу понад 105 мас Сонця. Існує цікава закономірність, згідно з якою чим масивніша чорна діра, тим менша її щільність. При цьому зміна маси на 11 порядків тягне за собою зміну щільність на 22 порядки. Таким чином, чорна діра масою 1 ·10 9 сонячних мас має щільність 18.5 кг/м³, що на одиницю менше щільності золота. А ЧД масою більше 10 10 мас Сонця можуть мати середню густину менше густини повітря. Виходячи з цих розрахунків логічно припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі. Що стосується квантовими ЧД, їх щільність може становити близько 10 94 кг/м³.
• Температура чорної діри також обернено пропорційно залежить від її маси. Ця температура безпосередньо пов'язана з . Спектр цього випромінювання збігається зі спектром абсолютно чорного тіла, тобто тіла, що поглинає все випромінювання, що падає. Спектр випромінювання чорного тіла залежить тільки від його температури, тоді температуру ЧД можна визначити за спектром випромінювання Хокінга. Як було сказано вище, це випромінювання тим сильніше, чим менше темна діра. У цьому випромінювання Хокинга залишається гіпотетичним, оскільки ще спостерігалося астрономами. З цього випливає, що якщо випромінювання Хокінгу існує, то температура ЧД, що спостерігаються, настільки мала, що не дозволяє зареєструвати зазначене випромінювання. Згідно з розрахунками навіть температура діри з масою порядку маси Сонця - зневажливо мала (1 · 10 -7 або -272 ° C). Температура ж квантових чорних дірок може досягати близько 10 12 К і за їх швидкого випаровування (близько 1.5 хв.) такі ЧД можуть випромінювати енергію близько десяти мільйонів атомних бомб. Але, на щастя, для створення таких гіпотетичних об'єктів буде потрібно енергія в 10 14 разів більша за ту, яка досягнута сьогодні на Великому адронному колайдері. Крім того, такі явища жодного разу не спостерігалися астрономами.

З чого складається ЧД?

Ще одне питання хвилює, як вчених, так і тих, хто просто захоплюється астрофізикою, — з чого складається чорна діра? На це питання немає однозначної відповіді, оскільки за обрій подій, що оточує будь-яку чорну дірку, зазирнути неможливо. Крім того, як уже говорилося раніше, теоретичні моделі чорної діри передбачають лише 3 її складові: ергосфера, обрій подій та сингулярність. Логічно припустити, що в ергосфері є ті об'єкти, які були притягнуті чорною діркою, і які тепер обертаються навколо неї - різного роду космічні тіла і космічний газ. Горизонт подій – лише тонка неявна межа, потрапивши за яку, ті ж космічні тіла безповоротно притягуються у бік останньої основної складової ЧД – сингулярності. Природа сингулярності сьогодні не вивчена і про її склад говорити ще зарано.

Згідно з деякими припущеннями чорна діра може складатися з нейтронів. Якщо слідувати сценарію виникнення ЧД внаслідок стиснення зірки до нейтронної зірки з наступним її стиском, то, мабуть, переважна більшість чорної діри складається з нейтронів, у тому числі і сама нейтронна зірка. Простими словами: при колапсі зірки її атоми стискуються в такий спосіб, що електрони з'єднуються з протонами, утворюючи нейтрони. Подібна реакція дійсно має місце у природі, при цьому з утворенням нейтрону відбувається випромінювання нейтрино. Однак це лише припущення.

Що буде якщо потрапити до чорної діри?

Падіння в астрофізичну чорну дірку призводить до розтягування тіла. Розглянемо гіпотетичного космонавта-смертника, який попрямував у чорну дірку в одному лише скафандрі ногами вперед. Перетинаючи обрій подій, космонавт не помітить жодних змін, незважаючи на те, що вибратися назад у нього вже немає можливості. У якийсь момент космонавт досягне точки (трохи позаду обрію подій), у якій почне відбуватися деформація його тіла. Так як гравітаційне поле чорної діри неоднорідне і представлене градієнтом сили, що зростає у напрямку до центру, то ноги космонавта зазнають помітно більшого гравітаційного впливу, ніж, наприклад, голова. Тоді за рахунок гравітації, точніше – приливних сил, ноги «падатимуть» швидше. Таким чином тіло починає поступово витягуватись у довжину. Для опису подібного явища астрофізики вигадали досить креативний термін - спагеттифікація. Подальше розтягнення тіла, ймовірно, розкладе його на атоми, які рано чи пізно досягнуть сингулярності. Про те, що відчуватиме людина в цій ситуації, залишається тільки гадати. Варто відзначити, що ефект розтягування тіла обернено пропорційний масі чорної дірки. Тобто якщо ЧД із масою трьох Сонців миттєво розтягне/розірве тіло, то надмасивна чорна діра матиме менші приливні сили і, є припущення, що деякі фізичні матеріали могли б «стерпіти» подібну деформацію, не втративши своєї структури.

Як відомо, поблизу масивних об'єктів час протікає повільніше, а значить час для космонавта-смертника тектиме значно повільніше, ніж для землян. У такому разі, можливо, він переживе не лише своїх друзів, а й саму Землю. Для визначення того, наскільки сповільниться час для космонавта будуть потрібні розрахунки, проте з вищесказаного можна припустити, що космонавт падатиме в ЧД дуже повільно і, можливо, просто не доживе до того моменту, коли його тіло почне деформуватися.

Примітно, що для спостерігача зовні всі тіла, що підлетіли до горизонту подій, так і залишаться на краю цього горизонту доти, доки не пропаде їхнє зображення. Причиною такого явища є гравітаційне червоне усунення. Дещо спрощуючи, можна сказати, що світло, що падає на тіло космонавта-смертника «застиглого» біля горизонту подій, змінюватиме свою частоту у зв'язку з його уповільненим часом. Оскільки час іде повільніше, то частота світла зменшуватиметься, а довжина хвилі – збільшуватиметься. В результаті цього явища, на виході, тобто для зовнішнього спостерігача, світло поступово зміщуватиметься у бік низькочастотного - червоного. Зміщення світла по спектру матиме місце, оскільки космонавт-смертник дедалі більше віддаляється від спостерігача, хоч і майже непомітно, і його час тече все повільніше. Таким чином, світло, що відображається його тілом, незабаром вийде за межі видимого спектру (пропаде зображення), і надалі тіло космонавта можна буде вловити лише в області інфрачервоного випромінювання, пізніше - в радіочастотному, і в результаті випромінювання взагалі буде невловиме.

Незважаючи на написане вище, передбачається, що в дуже великих надмасивних чорних дірах приливні сили не так сильно змінюються з відстанню і майже рівномірно діють на тіло, що падає. У такому разі падаючий космічний корабель зберіг би свою структуру. Виникає резонне питання – а куди веде чорна діра? На це питання можуть відповісти роботи деяких вчених, що пов'язує два таких явища як кротові нори та чорні дірки.

Ще в 1935 році Альберт Ейнштейн і Натан Розен з урахуванням висунули гіпотезу про існування так званих кротових нір, що з'єднує дві точки простору-часу шляхом у місцях значного викривлення останнього - міст Ейнштейна-Розена або червоточина. Для такого сильного викривлення простору знадобляться тіла з величезною масою, з участю яких добре впоралися б темні дірки.

Міст Ейнштейна-Розена - вважається непрохідною кротовою норою, оскільки має невеликі розміри і є нестабільною.

Прохідна кротова діра можлива в рамках теорії чорних та білих дірок. Де біла діра є виходом інформації, що потрапила до чорної діри. Біла діра описується в рамках ЗТО, проте на сьогодні залишається гіпотетичною і не була виявлена. Ще одну модель кротової нори запропоновано американськими вченими Кіпом Торном та його аспірантом — Майком Моррісом, яка може бути прохідною. Однак, як у випадку з червоточиною Морріса — Торна, так і у випадку з чорними та білими дірками для можливості подорожі потрібне існування так званої екзотичної матерії, яка має негативну енергію та також залишається гіпотетичною.

Чорні дірки у Всесвіті

Існування чорних дірок підтверджено нещодавно (вересень 2015 р.), проте до того часу існував уже чималий теоретичний матеріал за природою ЧД, а також безліч об'єктів-кандидатів на роль чорної діри. Насамперед слід врахувати розміри ЧД, оскільки від них залежить і сама природа явища:

• Чорна діра зоряної маси. Такі об'єкти утворюються внаслідок колапсу зірки. Як згадувалося раніше, мінімальна маса тіла, здатного утворити таку чорну дірку становить 2.5 - 3 сонячних мас.
• Чорні дірки середньої маси. Умовний проміжний тип чорних дірок, які збільшилися за рахунок поглинання довколишніх об'єктів, на кшталт скупчення газу, сусідньої зірки (у системах двох зірок) та інших космічних тіл.
• Надмасивна чорна діра. Компактні об'єкти з 105-1010 мас Сонця. Відмінними властивостями таких ЧД є парадоксально невисока густина, а також слабкі припливні сили, про які йшлося раніше. Саме така надмасивна чорна дірка у центрі нашої галактики Чумацького шляху (Стрілець А*, Sgr A*), а також більшості інших галактик.

Кандидати у ЧД

Найближча чорна діра, а точніше кандидат на роль ЧД – об'єкт (V616 Єдинорога), який розташований на відстані 3000 світлових років від Сонця (у нашій галактиці). Він складається із двох компонентів: зірки з масою в половину сонячної маси, а також невидимого тіла малих розмірів, маса якого становить 3 - 5 мас Сонця. Якщо цей об'єкт виявиться невеликою чорною діркою зіркової маси, то по праву стане найближчою ЧД.

Слідом за цим об'єктом другою найближчою чорною діркою є об'єкт Лебідь X-1 (Cyg X-1), який був першим кандидатом на роль ЧД. Відстань до нього приблизно 6070 світлових років. Досить добре вивчений: має масу 14.8 мас Сонця і радіус горизонту подій близько 26 км.

За деяким джерелом ще одним найближчим кандидатом на роль ЧД може бути тіло в зірковій системі V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), яка, за оцінками 1999 року, розташовувалася на відстані 1600 світлових років. Однак, подальші дослідження збільшили цю відстань як мінімум у 15 разів.

Скільки чорних дірок у нашій галактиці?

На це питання немає точної відповіді, оскільки спостерігати їх досить непросто, і за весь час дослідження небосхилу вченим вдалося виявити близько десятка чорних дірок у межах Чумацького Шляху. Не вдаючись до розрахунків, зазначимо, що в нашій галактиці близько 100 - 400 млрд зірок, і приблизно кожна тисячна зірка має достатньо маси, щоб утворити чорну дірку. Ймовірно, що за час існування Чумацького Шляху могли утворитися мільйони чорних дірок. Так як зареєструвати простіше чорні дірки величезних розмірів, то логічно припустити, що, швидше за все, більшість ЧД нашої галактики не є надмасивними. Примітно, що дослідження НАСА 2005 року передбачають наявність цілого рою чорних дірок (10-20 тисяч), що обертаються навколо центру галактики. Крім того, у 2016-му році японські астрофізики виявили масивний супутник поблизу об'єкта* — чорна діра, ядро ​​Чумацького Шляху. Через невеликий радіус (0,15 св. років) цього тіла, а також його величезну масу (100 000 мас Сонця) вчені припускають, що цей об'єкт теж є надмасивною чорною діркою.

Ядро нашої галактики, чорна діра Чумацького Шляху (Sagittarius A*, Sgr A* або Стрілець А*) є надмасивною і має масу 4,31·10 6 мас Сонця, а радіус - 0,00071 світлових років (6,25 св. год або 6,75 млрд. км). Температура Стрільця А* разом із скупченням біля нього становить близько 1 10 7 K.

Найбільша чорна діра

Найбільша чорна діра у Всесвіті, яку вченим вдалося виявити - надмасивна чорна діра, FSRQ блазар, у центрі галактики S5 0014+81, на відстані 1.2·10 10 світлових років від Землі. За попередніми результатами спостереження, за допомогою космічної обсерваторії Swift, маса ЧД склала 40 мільярдів (40 · 10 9) сонячних мас, а радіус Шварцшильда такої дірки – 118,35 мільярда кілометрів (0,013 св. років). Крім того, згідно з підрахунками, вона виникла 12,1 млрд. років тому (через 1,6 млрд. років після Великого вибуху). Якщо дана гігантська чорна діра не поглинатиме навколишню матерію, то доживе до ери чорних дір - одна з епох розвитку Всесвіту, під час якої в ній домінуватимуть чорні дірки. Якщо ж ядро ​​галактики S5 0014+81 продовжить розростатися, воно стане однією з останніх чорних дір, які існуватимуть у Всесвіті.

Інші дві відомі чорні діри, хоч і не мають власних назв, мають найбільше значення для дослідження чорних дірок, оскільки підтвердили їхнє існування експериментально, а також дали важливі результати вивчення гравітації. Мова про подію GW150914, якою названо зіткнення двох чорних дірок в одну. Ця подія дозволила зареєструвати.

Виявлення чорних дірок

Перш ніж розглядати методи виявлення ЧД, слід відповісти на запитання: чому чорна діра чорна? - відповідь на нього не вимагає глибоких знань в астрофізиці та космології. Справа в тому, що чорна діра поглинає все випромінювання, що падає на неї, і зовсім не випромінює, якщо не брати до уваги гіпотетичне. Якщо розглянути цей феномен докладніше, можна припустити, що всередині чорних дірок не протікають процеси, що призводять до вивільнення енергії як електромагнітного випромінювання. Тоді якщо ЧД і випромінює, то в спектрі Хокінга (збігається зі спектром нагрітого, абсолютно чорного тіла). Однак, як було сказано раніше, дане випромінювання не було зареєстровано, що дозволяє припустити зовсім низьку температуру чорних дірок.

Інша ж загальноприйнята теорія говорить про те, що електромагнітне випромінювання зовсім не здатне залишити обрій подій. Найбільш ймовірно, що фотони (частинки світла) не притягуються масивними об'єктами, оскільки згідно з теорією - самі не мають маси. Однак, чорна діра все ж таки «притягує» фотони світла за допомогою спотворення простору-часу. Якщо уявити ЧД в космосі у вигляді якоїсь западини на гладкій поверхні простору-часу, то існує деяка відстань від центру чорної дірки, наблизившись на яку світло вже не зможе віддалитися. Тобто, грубо кажучи, світло починає «падати» в «яму», яка навіть не має «дна».

На додаток до цього, якщо врахувати ефект гравітаційного червоного зміщення, то, можливо, в чорній дірі світло втрачає свою частоту, зміщуючись по спектру в область низькочастотного довгохвильового випромінювання, поки зовсім не втратить енергію.

Отже, чорна діра має чорний колір, тому її складно виявити в космосі.

Методи виявлення

Розглянемо методи, які використовують астрономи для виявлення чорної діри:

Крім згаданих вище методів, вчені часто пов'язують такі об'єкти як чорні дірки та . Квазари - деякі скупчення космічних тіл і газу, які є одними з найяскравіших астрономічних об'єктів у Всесвіті. Так як вони мають високу інтенсивність світіння при відносно малих розмірах, є підстави припускати, що центром цих об'єктів є надмасивна чорна діра, що притягує себе навколишню матерію. В силу настільки потужного гравітаційного тяжіння притягувана матерія настільки розігріта, що інтенсивно випромінює. Виявлення таких об'єктів зазвичай зіставляється з виявленням чорної дірки. Іноді квазари можуть випромінювати у дві сторони струменя розігрітої плазми – релятивістські струмені. Причини виникнення таких струменів (джет) не до кінця зрозумілі, проте, ймовірно, вони викликані взаємодією магнітних полів ЧД та акреційного диска, і не випромінюються безпосередньою чорною діркою.

Джет в галактиці M87, що б'є з центру ЧД

Підбиваючи підсумки вищесказаного, можна уявити собі, поблизу: це сферичний чорний об'єкт, навколо якого обертається сильно розігріта матерія, утворюючи акреційний диск, що світиться.

Злиття та зіткнення чорних дір

Одним із найцікавіших явищ в астрофізиці є зіткнення чорних дірок, яке також дозволяє виявляти такі масивні астрономічні тіла. Подібні процеси цікавлять не тільки астрофізиків, тому що їх наслідком стають погано вивчені фізиками явища. Найяскравішим прикладом є згадана раніше подія під назвою GW150914, коли дві чорні дірки наблизилися настільки, що внаслідок взаємного гравітаційного тяжіння злилися в одну. Важливим наслідком цього зіткнення стало виникнення гравітаційних хвиль.

Відповідно до визначення гравітаційних хвиль - це такі зміни гравітаційного поля, які поширюються хвилеподібним чином від масивних об'єктів, що рухаються. Коли два такі об'єкти зближуються – вони починають обертатися навколо загального центру важкості. У міру їхнього зближення, їхнє обертання навколо своєї осі зростає. Подібні змінні коливання гравітаційного поля можуть утворити одну потужну гравітаційну хвилю, яка здатна поширитися в космосі на мільйони світлових років. Так, на відстані 1,3 млрд світлових років сталося зіткнення двох чорних дірок, що утворило потужну гравітаційну хвилю, яка дійшла до Землі 14 вересня 2015 року і була зафіксована детекторами LIGO та VIRGO.

Як вмирають чорні дірки?

Очевидно, щоб чорна діра перестала існувати, їй доведеться втратити всю свою масу. Однак, згідно з її визначенням, ніщо не може залишити межі чорної діри, якщо перейшло її обрій подій. Відомо, що вперше про можливість випромінювання чорною діркою частинок згадав радянський фізик-теоретик Володимир Грибов у своїй дискусії з іншим радянським ученим Яковом Зельдовичем. Він стверджував, що з погляду квантової механіки чорна діра здатна випромінювати частки у вигляді тунельного ефекту. Пізніше за допомогою квантової механіки побудував свою дещо іншу теорію англійський фізик-теоретик Стівен Хокінг. Докладніше про дане явище Ви можете прочитати. Коротко кажучи, у вакуумі існують так звані віртуальні частки, які постійно попарно народжуються та анігілюють один з одним, при цьому не взаємодіючи з навколишнім світом. Але якщо подібні пари виникнуть на горизонті подій чорної дірки, то сильна гравітація гіпотетично здатна їх розділити, при цьому одна частка впаде всередину ЧД, а інша вирушить у напрямку від чорної дірки. І оскільки частинка, що відлетіла від діри, може бути спостерігається, а значить має позитивну енергію, то впала в дірку частка повинна мати негативну енергію. Таким чином, чорна діра буде втрачати свою енергію і матиме місце ефект, який називається - випаровування чорної діри.

Згідно з наявними моделями чорної дірки, як уже згадувалося раніше, зі зменшенням її маси її випромінювання стає все інтенсивнішим. Тоді на завершальному етапі існування ЧД, коли вона можливо зменшиться до розмірів квантової чорної діри, вона виділить величезну кількість енергії у вигляді випромінювання, що може бути еквівалентно тисячам або навіть мільйонам атомних бомб. Ця подія дещо нагадує вибух чорної дірки, наче тієї ж бомби. Згідно з підрахунками, в результаті Великого вибуху могли зародитися первинні чорні дірки, і ті з них, маса яких близько 10 12 кг, мали б випаруватися і вибухнути приблизно в наш час. Як би там не було, такі вибухи жодного разу не були помічені астрономами.

Незважаючи на запропонований Хокінг механізм знищення чорних дірок, властивості випромінювання Хокінга викликають парадокс в рамках квантової механіки. Якщо чорна діра поглинає деяке тіло, а потім втрачає масу, що виникла в результаті поглинання цього тіла, то незалежно від природи тіла, чорна діра не відрізнятиметься від тієї, якою вона була до поглинання тіла. При цьому інформація про тіло назавжди втрачена. З погляду теоретичних розрахунків перетворення вихідного чистого стану на отримане змішане («теплове») не відповідає нинішній теорії квантової механіки. Цей парадокс іноді називають зникненням інформації у чорній дірі. Достовірне рішення цього феномена так і не було знайдено. Відомі варіанти вирішення феномена:

• Чи не спроможність теорії Хокінга. Це спричиняє неможливість знищення чорної дірки та постійне її зростання.
• Наявність білих дірок. У такому разі поглинається інформація не пропадає, а просто викидається в інший Всесвіт.
• Чи не спроможність загальноприйнятої теорії квантової механіки.

Невирішені проблеми фізики чорних дір

Зважаючи на все, що було описано раніше, чорні дірки хоч і вивчаються відносно довгий час, все ж таки мають безліч особливостей, механізми яких досі не відомі вченим.

• 1970-го року англійський вчений сформулював т.зв. "Принцип космічної цензури" - "Природа живить огиду до голої сингулярності". Це означає, що сингулярність утворюється лише у прихованих від погляду місцях, як центр чорної дірки. Однак довести цей принцип поки не вдалося. Також існують теоретичні розрахунки, згідно з якими «гола» сингулярність може виникати.
• Не доведена і «теорема про відсутність волосся», згідно з якою чорні дірки мають лише три параметри.
• Не розроблено повну теорію магнітосфери чорної діри.
• Не вивчено природу та фізику гравітаційної сингулярності.
• Достеменно невідомо, що відбувається на завершальному етапі існування чорної дірки, і що залишається після квантового розпаду.

Цікаві факти про чорні діри

Підбиваючи підсумки сказаного вище можна виділити кілька цікавих і незвичайних особливостей природи чорних дірок:

• ЧД мають лише три параметри: маса, електричний заряд і момент імпульсу. В результаті такої малої кількості характеристик цього тіла, теорема, що стверджують це, називається «теоремою про відсутність волосся» («no-hair theorem»). Звідси також виникла фраза «чорна діра не має волосся», яка позначає, що дві ЧД абсолютно ідентичні, згадані їх три параметри однакові.
• Щільність ЧД може бути меншою за щільність повітря, а температура близька до абсолютного нуля. З цього можна припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі.
• Час для тіл, поглинених ЧД, іде значно повільніше, ніж зовнішнього спостерігача. Крім того, поглинені тіла значно розтягуються усередині чорної дірки, що було названо вченими – спагеттифікацією.
• У нашій галактиці може бути близько мільйона чорних дірок.
• Ймовірно, у центрі кожної галактики розташовується надмасивна чорна діра.
• У майбутньому, згідно з теоретичною моделлю, Всесвіт досягне так званої епохи чорних дірок, коли ЧД стануть домінуючими тілами у Всесвіті.

Чорні дірихвилюють уяву багатьох - як вчених, так і людей далеких від світу науки. Причому не всі розуміють, що таке чорна дірка.

Надмасивні чорні дірки

Передбачають, що такі чорні дірки знаходяться у центрах галактик. Їх маса може становити до 10 у дев'ятому ступені мас Сонця. Ці висновки зроблено виходячи з аналізу руху зірок біля центрів галактик.

Існує також гіпотеза, згідно з якою надмасивні чорні дірки знаходяться в центрах квазарів – маловивчених та найдальших з тих космічних об'єктів, які можна спостерігати із Землі. Квазари є ядрами галактик і в своєму центрі мають чорну дірку.

Квазари мають неймовірно сильну світність і невеликі розміри, їх можна спостерігати на відстані в 10 млрд світлових років. Ці об'єкти виділяють величезну енергію в усіх галузях спектра електромагнітних хвиль, а особливо - в інфрачервоній галузі.

Первинні або реліктові чорні дірки

Найменші чорні дірки, освіта яких відбувалося на ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Згустки речовини, що з'явилися внаслідок неоднорідності Великого Вибуху, могли стискатися до стану чорних дірок, поки решта речовини розширювалася.

Чорна діра – це не завжди щось дуже велике та важке. Вчені припускають, що розмір деяких первинних чорних дірок може бути значно меншим за розмір протона.

В іншій нашій статті ви можете дізнатися, як працює ядерний реактор. А якщо знадобиться допомога з навчанням - звертайтесь до

« Наукова фантастика може бути корисною – вона стимулює уяву та позбавляє страху перед майбутнім. Проте наукові факти можуть виявитися набагато вражаючими. Наукова фантастика навіть не передбачала наявності таких речей, як чорні дірки»
Стівен Хокінг

У глибинах всесвіту для людини таїться безліч загадок і таємниць. Однією з них є чорні дірки – об'єкти, які можуть зрозуміти навіть найбільші уми людства. Сотні астрофізиків намагаються розкрити природу чорних дірок, проте на даному етапі ми ще навіть не довели їхнє існування на практиці.

Кінорежисери присвячують їм свої фільми, а серед простих людей чорні дірки стали настільки культовим явищем, що їх ототожнюють із кінцем світу та неминучою загибеллю. Їх бояться і ненавидять, але при цьому обожнюють їх і схиляються перед невідомістю, яку таять у собі ці дивні уламки Всесвіту. Погодьтеся, бути поглиненим чорною діркою – та ще романтика. З їхньою допомогою можна, а також вони можуть стати для нас провідниками.

На популярності чорних дірок часто спекулює жовта преса. Знайти заголовки в газетах, пов'язані з кінцем світу на планеті через чергове зіткнення із надмасивною чорною діркою, не проблема. Набагато гірше те, що малограмотна частина населення все сприймає це серйозно та піднімає справжню паніку. Щоб внести дещицю ясності, ми вирушимо в подорож до витоків відкриття чорних дірок і спробуємо зрозуміти, що це таке і як до цього ставитися.

Невидимі зірки

Так уже склалося, що сучасні фізики описують устрій нашого Всесвіту за допомогою теорії відносності, яку людству на початку 20 століття дбайливо надав Ейнштейн. Тим більше, загадковими стають чорні дірки, на горизонті подій яких припиняють діяти всі відомі нам закони фізики та ейнштейнівська теорія в тому числі. Чи це не чудово? До того ж, здогад про існування чорних дірок висловили задовго до народження Ейнштейна.

У 1783 року у Англії спостерігалося значне зростання наукової активності. У ті часи наука йшла пліч-о-пліч з релігією, вони непогано вживалися разом, а вчених вже не вважали єретиками. Понад те, науковими дослідженнями займалися священики. Одним із таких служителів Бога був англійський пастор Джон Мічелл, який ставив не лише питання буття, а й цілком наукові завдання. Мічелл був дуже титулованим вченим: спочатку він був викладачем математики та стародавнього мовознавства в одному з коледжів, а після цього за низку відкриттів було прийнято до Лондонського королівського товариства.

Джон Мічелл займався питаннями сейсмології, але на дозвіллі любив подумати про вічний і космос. Так у нього народилася ідея про те, що десь у глибинах Всесвіту можуть існувати надмасивні тіла з такою потужною гравітацією, що для подолання сили тяжіння такого тіла необхідно рухатися зі швидкістю рівною або вищою за швидкість світла. Якщо прийняти таку теорію за істину, то розвинути другу космічну швидкість (швидкість, необхідна для подолання гравітаційного тяжіння тіла, що залишається) не зможе навіть світло, тому таке тіло залишиться невидимим для неозброєного ока.

Свою нову теорію Мічелл обізвав "темними зірками", а заразом спробував обчислити масу таких об'єктів. Свої думки з цього приводу він висловив у відкритому листі до Лондонського королівського товариства. На жаль, у ті часи такі дослідження не становили особливої ​​цінності для науки, тому листа Мічелла відправили до архіву. Лише через дві сотні років у другій половині 20 століття вдалося виявити його серед тисяч інших записів, які дбайливо зберігаються в стародавній бібліотеці.

Перші наукові обґрунтування існування чорних дірок

Після виходу Загальної теорії відносності Ейнштейна у світ, математики та фізики всерйоз взялися за рішення представлених німецьким вченим рівнянь, які мали розповісти нам багато нового про влаштування Всесвіту. Тим же вирішив зайнятися і німецький астроном, фізик Карл Шварцшільд у 1916 році.

Вчений за допомогою своїх обчислень дійшов висновку, що існування чорних дірок можливе. Також він першим описав те, що згодом назвали романтичною фразою «горизонт подій» — уявну межу простору-часу біля чорної діри, після перетину якої настає точка неповернення. Через обрій подій не вирветься ніщо, навіть світло. Саме за обрієм подій настає так звана сингулярність, де відомі нам закони фізики перестають діяти.

Продовжуючи розвивати свою теорію та вирішуючи рівняння, Шварцшильд відкривав для себе та світу нові таємниці чорних дірок. Так, він зміг виключно на папері обчислити відстань від центру чорної діри, де сконцентровано її масу, до обрії подій. Цю відстань Шварцшильд назвав гравітаційним радіусом.

Незважаючи на те, що математично рішення Шварцшильда були виключно вірними і не могли бути спростовані, наукова спільнота початку 20 століття не могла відразу прийняти таке шокуюче відкриття, і існування чорних дірок було списано на рівень фантастики, яка раз у раз виявлялася в теорії відносності. На найближчі півтора десятки років дослідження космосу щодо наявності чорних дірок було повільним, і займалися ним поодинокі прихильники теорії німецького фізика.

Зірки, що народжують пітьму

Після того, як рівняння Ейнштейна були розібрані по поличках, настав час за допомогою зроблених висновків розбиратися у пристрої Всесвіту. Зокрема, теоретично еволюції зірок. Ні для кого не секрет, що в нашому світі ніщо не вічне. Навіть зірки мають свій цикл життя, нехай і довший, ніж людина.

Одним із перших учених, які всерйоз зацікавилися зірковою еволюцією, став молодий астрофізик Субраманьян Чандрасекар – уродженець Індії. У 1930 році він випустив наукову роботу, в якій описувалося передбачувану внутрішню будову зірок, а також цикли їхнього життя.

Вже на початку 20 століття вчені здогадувалися про таке явище, як гравітаційний стиск (гравітаційний колапс). Певного моменту свого життя зірка починає стискатися з величезною швидкістю під дією гравітаційних сил. Як правило, це відбувається в момент смерті зірки, проте при гравітаційному колапсі є кілька шляхів подальшого існування розпеченої кулі.

Науковий керівник Чандрасекара Ральф Фаулер – шановний свого часу фізик-теоретик – припускав, що під час гравітаційного колапсу будь-яка зірка перетворюється на дрібнішу та гарячішу – білого карлика. Але вийшло так, що учень «зламав» теорію вчителя, яку поділяла більшість фізиків початку минулого століття. Відповідно до роботи молодого індуса, смерть зірки залежить від її початкової маси. Наприклад, білими карликами можуть ставати лише ті зірки, маса яких не перевищувала 1.44 від маси Сонця. Це число було названо межею Чандрасекара. Якщо ж маса зірки перевищувала цю межу, вона вмирає зовсім інакше. За певних умов така зірка в момент смерті може відродитися в нову, нейтронну зірку – ще одну загадку сучасного Всесвіту. Теорія відносності ж підказує нам ще один варіант – стиск зірки до надмалих величин, і тут починається найцікавіше.

У 1932 році в одному з наукових журналів з'являється стаття, в якій геніальний фізик із СРСР Лев Ландау припустив, що при колапсі надмасивна зірка стискається в крапку з нескінченно малим радіусом та нескінченною масою. Незважаючи на те, що таку подію дуже складно уявити з погляду непідготовленої людини, Ландау був недалеко від істини. Також фізик припустив, що згідно з теорією відносності, гравітація в такій точці буде настільки велика, що почне спотворювати простір-час.

Теорія Ландау сподобалася астрофізикам і вони продовжили її розвивати. У 1939 році в Америці завдяки зусиллям двох фізиків – Роберта Оппенгеймера та Хартленда Снейдера – з'явилася теорія, яка докладно описує надмасивну зірку на момент колапсу. В результаті такої події мала з'явитися справжня чорна діра. Незважаючи на переконливість доказів, вчені продовжували заперечувати можливість існування подібних тіл, як і перетворення на них зірок. Навіть Ейнштейн відсторонився від цієї ідеї, вважаючи, що зірка не здатна на такі феноменальні перетворення. Інші ж фізики не скупилися у висловлюваннях, називаючи можливість таких подій безглуздими.
Втім, наука завжди досягає істини, варто лише трохи зачекати. Так і вийшло.

Найяскравіші об'єкти у Всесвіті

Наш світ – сукупність парадоксів. Іноді в ньому вживаються речі, співіснування яких не піддається жодній логіці. Наприклад, термін «чорна діра» не асоціюватиметься у нормальної людини з виразом «неймовірно яскравий», проте відкриття початку 60-х років минулого століття дозволило вченим вважати це твердження невірним.

За допомогою телескопів астрофізикам вдалося виявити невідомі до того моменту об'єкти на зоряному небі, які поводилися зовсім дивно, незважаючи на те, що виглядали як звичайні зірки. Вивчаючи ці дивні світила, американський вчений Мартін Шмідт звернув увагу на їхню спектрографію, дані якої показували відмінні від сканування інших зірок результати. Простіше кажучи, ці зірки були схожі інші, звичні нам.

Раптом Шмідта осяяло, і він звернув увагу на усунення спектру в червоному діапазоні. Виявилося, що ці об'єкти набагато далі від нас, ніж зірки, які ми звикли спостерігати в небі. Наприклад, об'єкт, що спостерігається Шмідтом, був розташований у двох з половиною мільярдах світлових років від нашої планети, але світив так само яскраво, як і зірка в якихось сотні світлових років від нас. Виходить, світло від одного такого об'єкта можна порівняти з яскравістю цілої галактики. Таке відкриття стало справжнім проривом в астрофізиці. Вчений назвав ці об'єкти "quasi-stellar" або просто "квазар".

Мартін Шмідт продовжив вивчення нових об'єктів і з'ясував, що таке яскраве свічення може бути викликане лише з однієї причини – акреції. Акреція - це процес поглинання надмасивним тілом навколишньої матерії за допомогою гравітації. Вчений дійшов висновку, що в центрі квазарів знаходиться величезна чорна діра, яка з неймовірною силою втягує в себе матерію, що її оточує в просторі. У процесі поглинання діркою матерії частки розганяються до величезних швидкостей і починають світитися. Своєрідний купол навколо чорної діри, що світиться, називається акреаційним диском. Його візуалізація була добре продемонстрована у кінострічці Крістофера Нолана «Інтерстеллар», яка породила безліч питань «як чорна діра може світитися?».

На сьогоднішній день вчені знайшли на зоряному небі вже тисячі квазарів. Ці дивні неймовірно яскраві об'єкти називають маяками Всесвіту. Вони дозволяють нам трохи краще уявити пристрій космосу і ближче підійти до моменту, з якого все почалося.

Незважаючи на те, що астрофізики вже багато років отримували непрямі докази існування надмасивних невидимих ​​об'єктів у Всесвіті, термін «чорна діра» не існувало аж до 1967 року. Щоб уникнути складних назв, американський фізик Джон Арчібальд Віллер запропонував назвати такі об'єкти «чорними дірками». Чому б і ні? Певною мірою вони чорні, адже ми їх не можемо побачити. До того ж вони все притягують, у них можна впасти, як у справжню дірку. Та й вибратися з такого місця за сучасними законами фізики просто неможливо. Втім, Стівен Хокінг стверджує, що під час подорожі крізь чорну дірку можна потрапити до іншого Всесвіту, іншого світу, а це вже надія.

Страх нескінченності

Через зайву таємничість та романтизацію чорних дірок, ці об'єкти стали справжньою страшилкою серед людей. Жовта преса любить спекулювати на неписьменності населення, видаючи в тираж дивовижні історії про те, як на нашу Землю рухається величезна чорна діра, яка за лічені години поглине Сонячну систему, або ж просто випромінює хвилі токсичного газу у бік нашої планети.

Особливо популярна тема знищення планети за допомогою Великого Адронного Колайдера, побудованого в Європі в 2006 році на території Європейської ради з ядерних досліджень (CERN). Хвиля паніки починалася як чийсь дурний жарт, проте наростала як снігова куля. Хтось пустив чутки, що в прискорювачі частинок колайдера може утворитися чорна діра, яка поглине нашу планету цілком. Звичайно ж, обурений народ почав вимагати заборонити експерименти у ВАК, злякавшись такого результату подій. До Європейського суду почали надходити позови з вимогою закрити колайдер, а вчених, які його створили, покарати по всій суворості закону.

Насправді фізики не заперечують, що при зіткненні частинок у Великому Адронному Колайдері можуть виникати об'єкти, схожі за властивостями на чорні дірки, проте їх розмір знаходиться на рівні розмірів елементарних частинок, а існують такі «дірки» настільки недовго, що нам навіть не вдається зафіксувати їхнє виникнення.

Одним із головних фахівців, які намагаються розвіяти хвилю невігластва перед людьми, є Стівен Хокінг – знаменитий фізик-теоретик, який до того ж вважається справжнім «гуру» щодо чорних дірок. Хокінг довів, що чорні дірки не завжди поглинають світло, яке з'являється в акреаційних дисках, і його частина розсіюється у простір. Таке явище було названо випромінюванням Хокінга, або випаровуванням чорної дірки. Також Хокінг встановив залежність між розміром чорної дірки та швидкістю її «випаровування» — чим вона менша, тим менше існує в часі. А це означає, що всім противникам Великого Адронного Колайдера не варто переживати: чорні дірки в ньому не зможуть проіснувати мільйонної частки секунди.

Теорія, не доведена практикою

На жаль, технології людства на даному етапі розвитку не дозволяють нам перевірити більшість теорій, розроблених астрофізиками та іншими вченими. З одного боку, існування чорних дірок досить переконливо доведено на папері та виведено за допомогою формул, у яких все зійшлося з кожною змінною. З іншого, на практиці нам поки не вдалося побачити на власні очі справжню чорну дірку.

Незважаючи на всі розбіжності, фізики припускають, що в центрі кожної з галактик знаходиться надмасивна чорна діра, яка збирає своєю гравітацією зірки в скупчення і змушує мандрувати Всесвітом великою і дружною компанією. У нашій галактиці Чумацький шлях за різними оцінками налічується від 200 до 400 мільярдів зірок. Всі ці зірки обертаються навколо чогось, що має величезну масу, навколо чогось, що ми не можемо побачити в телескоп. З великою ймовірністю це чорна діра. Чи варто її боятися? - Ні, принаймні не в найближчі кілька мільярдів років, але ми можемо зняти про неї ще один цікавий фільм.