Космос планети чорні дірки. Найбільша чорна діра у відомому Всесвіті

С. ТРАНКІВСЬКИЙ

Серед найбільш важливих та цікавих проблем сучасної фізики та астрофізики академік В. Л. Гінзбург назвав питання, пов'язані з чорними дірками (див. "Наука і життя" № 11, 12, 1999). Існування цих дивних об'єктів було передбачено понад двісті років тому, умови, що призводять до їх утворення, точно розрахували наприкінці 30-х років XX століття, а впритул астрофізика зайнялася ними менше сорока років тому. Сьогодні наукові журнали світу щорічно публікують тисячі статей, присвячених чорним діркам.

Утворення чорної дірки може відбуватися трьома шляхами.

Так прийнято зображати процеси, що йдуть на околицях колапсуючої чорної діри. З часом (Y) простір (X) навколо неї (зафарбована область) стискається, прямуючи до сингулярності.

Гравітаційне поле чорної діри вносить сильні спотворення геометрію простору.

Чорна діра, невидима в телескоп, виявляє себе лише за своїм гравітаційним впливом.

У потужному полі тяжіння чорної дірки відбувається народження пар-частинка.

Народження пари частка-античастка в лабораторії.

ЯК ВОНИ ВИНИКАЮТЬ

Небесне тіло, що світиться, має щільність, що дорівнює щільності Землі, і діаметром, що в двісті п'ятдесят разів перевершує діаметр Сонця, через силу свого тяжіння не дасть своєму світлу досягти нас. Таким чином, можливо, що найбільші тіла, що світяться у Всесвіті, саме через свою величину залишаються невидимими.
П'єр Симон Лаплас.
Виклад системи світу. 1796 рік.

У 1783 році англійський математик Джон Мітчел, а через тринадцять років незалежно від нього французький астроном та математик П'єр Сімон Лаплас провели дуже дивне дослідження. Вони розглянули умови, за яких світло не зможе покинути зірку.

Логіка вчених була простою. Для будь-якого астрономічного об'єкта (планети чи зірки) можна обчислити так звану швидкість тікання, або другу космічну швидкість, що дозволяє будь-якому тілу чи частинці назавжди залишити його. На фізиці на той час безроздільно панувала ньютонівська теорія, за якою світло - це потік частинок (до теорії електромагнітних хвиль і квантів залишалося майже півтораста років). Швидкість тікання частинок можна розрахувати виходячи з рівності потенційної енергії на поверхні планети і кінетичної енергії тіла, що "втік" на нескінченно велику відстань. Ця швидкість визначається формулою # 1 #

де M- Маса космічного об'єкта, R- Його радіус, G- гравітаційна стала.

Звідси легко виходить радіус тіла заданої маси (що пізніше отримав назву "гравітаційний радіус r g "), при якому швидкість втікання дорівнює швидкості світла:

Це означає, що зірка, стиснута у сферу радіусом r g< 2GM/c 2, перестане випромінювати - світло покинути її не зможе. У Всесвіті з'явиться темна діра.

Нескладно розрахувати, що Сонце (його маса 2. 1033 г) перетвориться на чорну дірку, якщо стиснеться до радіусу приблизно 3 кілометри. Щільність його речовини при цьому досягне 1016 г/см 3 . Радіус Землі, стиснутої до стану чорної дірки, зменшився приблизно до одного сантиметра.

Здавалося неймовірним, що у природі можуть знайтися сили, здатні стиснути зірку до таких незначних розмірів. Тому висновки з робіт Мітчела і Лапласа понад сто років вважалися чимось на зразок математичного парадоксу, який не має фізичного сенсу.

Суворий математичний доказ того, що подібний екзотичний об'єкт у космосі можливий, було отримано лише 1916 року. Німецький астроном Карл Шварц-Шільд, провівши аналіз рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, отримав цікавий результат. Дослідивши рух частинки в гравітаційному полі масивного тіла, він дійшов висновку: рівняння втрачає фізичний зміст (його рішення звертається до нескінченності) при r= 0 і r = r g.

Точки, в яких характеристики поля втрачають сенс, називаються сингулярними, тобто особливими. Сингулярність у нульовій точці відбиває точкову, чи, те саме, центрально-симетричну структуру поля (адже будь-яке сферичне тіло - зірку чи планету - можна як матеріальну точку). А точки, розташовані на сферичній поверхні радіусом r g , утворюють ту саму поверхню, з якою швидкість втікання дорівнює швидкості світла. У загальній теорії відносності вона називається сингулярною сферою Шварц-Шільд або горизонтом подій (чому - стане зрозуміло надалі).

Вже на прикладі знайомих нам об'єктів – Землі та Сонця – ясно, що чорні дірки є дуже дивними об'єктами. Навіть астрономи, які мають справу з речовиною при екстремальних значеннях температури, щільності та тиску, вважають їх дуже екзотичними, і до останнього часу далеко не всі вірили в їхнє існування. Однак перші вказівки на можливість утворення чорних дірок містилися вже в загальній теорії відносності А. Ейнштейна, створеної в 1915 році. Англійський астроном Артур Еддінгтон, один із перших інтерпретаторів та популяризаторів теорії відносності, у 30-х роках вивів систему рівнянь, що описують внутрішню будову зірок. З них випливає, що зірка знаходиться в рівновазі під дією протилежно спрямованих сил тяжіння і внутрішнього тиску, створюваного рухом частинок гарячої плазми всередині світила і напором випромінювання, що утворюється в його надрах. А це означає, що зірка є газовою кулею, в центрі якої висока температура, що поступово знижується до периферії. З рівнянь, зокрема, випливало, що температура поверхні Сонця становить близько 5500 градусів (що цілком відповідало даним астрономічних вимірів), а в його центрі має бути близько 10 мільйонів градусів. Це дозволило Еддінгтону зробити пророчий висновок: за такої температури "запалюється" термоядерна реакція, достатня для забезпечення свічення Сонця. Фізики-атомники того часу із цим не погоджувалися. Їм здавалося, що в надрах зірки занадто холодно: температура там недостатня, щоб реакція пішла. На це розлютований теоретик відповідав: "Пошукайте містечко гарячіше!".

І зрештою він мав рацію: у центрі зірки дійсно йде термоядерна реакція (інша справа, що так звана "стандартна сонячна модель", заснована на уявленнях про термоядерний синтез, мабуть, виявилася невірною - див., наприклад, "Наука та життя" №№ 2, 3, 2000 р.). Проте реакція в центрі зірки проходить, зірка світить, а випромінювання, яке при цьому виникає, утримує її в стабільному стані. Але ядерне "паливо" в зірці вигоряє. Виділення енергії припиняється, випромінювання гасне, і сила, яка стримує гравітаційне тяжіння, зникає. Існує обмеження на масу зірки, після якого зірка починає незворотно стискатися. Розрахунки показують, що це відбувається, якщо маса зірки перевищує дві-три маси Сонця.

ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС

Спочатку швидкість стиснення зірки невелика, та її темп безперервно зростає, оскільки сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані. Стиснення стає незворотнім, сил, здатних протидіяти самогравітації, немає. Такий процес називається гравітаційним колапсом. Швидкість руху оболонки зірки до її центру зростає, наближаючись до швидкості світла. І тут починають грати роль ефекти теорії відносності.

Швидкість тікання була розрахована виходячи з ньютонівських уявлень про природу світла. З точки зору загальної теорії відносності явища в околицях зірки, що колапсує, відбуваються дещо по-іншому. У її потужному полі тяжіння виникає так зване гравітаційне червоне усунення. Це означає, що частота випромінювання, що походить від масивного об'єкта, зміщується у бік низьких частот. У межі, межі сфери Шварцшильда, частота випромінювання стає дорівнює нулю. Тобто спостерігач, який за її межами, нічого не зможе дізнатися про те, що відбувається всередині. Саме тому сферу Шварцшильда називають горизонтом подій.

Але зменшення частоти рівнозначне уповільнення часу, і, коли частота дорівнюватиме нулю, час зупиняється. Це означає, що сторонній спостерігач побачить дуже дивну картину: оболонка зірки, що падає з прискоренням, що наростає, замість того, щоб досягти швидкості світла, зупиняється. З його точки зору, стиснення припиниться, як тільки розміри зірки наблизяться до гравітаційної ради.
усу. Він ніколи не побачить, щоб хоч одна частка "пірнула" під сферу Шварцшиль так. Але для гіпотетичного спостерігача, що падає на чорну дірку, все закінчиться за лічені миті по його годиннику. Так, час гравітаційного колапсу зірки розміром із Сонце становитиме 29 хвилин, а набагато щільнішої та компактнішої нейтронної зірки – лише 1/20 000 секунди. І тут його чатує на неприємність, пов'язану з геометрією простору-часу поблизу чорної діри.

Спостерігач потрапляє у викривлений простір. Поблизу гравітаційного радіусу сили тяжіння стають нескінченно більшими; вони розтягують ракету з космонавтом-спостерігачем у нескінченно тонку нитку нескінченної довжини. Але сам він цього не помітить: всі його деформації відповідатимуть спотворенням просторово-часових координат. Ці міркування, звичайно, відносяться до ідеального, гіпотетичного випадку. Будь-яке реальне тіло буде розірвано припливними силами задовго до підходу до сфери Шварцшильда.

РОЗМІРИ ЧОРНИХ ДІР

Розмір чорної дірки, а точніше – радіус сфери Шварцшильда пропорційний масі зірки. А оскільки астрофізика ніяких обмежень на розмір зірки не накладає, то і чорна діра може бути як завгодно велика. Якщо вона, наприклад, виникла при колапсі зірки масою 108 мас Сонця (або за рахунок злиття сотень тисяч, а то й мільйонів порівняно невеликих зірок), її радіус буде близько 300 мільйонів кілометрів, удвічі більше земної орбіти. А середня густина речовини такого гіганта близька до густини води.

Очевидно, саме такі чорні дірки перебувають у центрах галактик. У всякому разі, астрономи сьогодні налічують близько п'ятдесяти галактик, у центрі яких, судячи з непрямих ознак (мова про них піде нижче), є чорні дірки масою близько мільярда (10 9) сонячної. У нашій Галактиці також, мабуть, є своя чорна діра; її масу вдалося оцінити досить точно - 2,4. 10 6 ±10% маси Сонця.

Теорія передбачає, що з такими надгігантами мали виникати й чорні міні-дірки масою порядку 10 14 р і радіусом близько 10 -12 див (розмір атомного ядра). Вони могли з'являтися в перші миті існування Всесвіту як вияв дуже сильної неоднорідності простору-часу при колосальній щільності енергії. Умови, які були тоді у Всесвіті, дослідники сьогодні реалізують на потужних колайдерах (прискорювачах на зустрічних пучках). Експерименти в ЦЕРНі, проведені на початку цього року, дозволили отримати кварк-глюонну плазму – матерію, яка існувала до виникнення елементарних частинок. Дослідження цього стану речовини продовжуються у Брукхевені – американському прискорювальному центрі. Він здатний розігнати частинки до енергій, на півтора-два порядки вищі, ніж прискорювач у
ЦЕРНЕ. Експеримент, що готується, викликав неабияку тривогу: чи не виникне при його проведенні чорна міні-дірка, яка скривить наш простір і погубить Землю?

Це побоювання викликало такий сильний резонанс, що уряд США був змушений скликати авторитетну комісію для перевірки такої можливості. Комісія, що складалася з відомих дослідників, дала висновок: енергія прискорювача надто мала, щоб чорна діра могла виникнути (про цей експеримент розказано в журналі "Наука і життя" № 3, 2000).

Як побачити невидиме

Чорні дірки нічого не випромінюють, навіть світло. Однак астрономи навчилися бачити їх, вірніше – знаходити "кандидатів" на цю роль. Є три способи виявити чорну дірку.

1. Необхідно простежити за зверненням зірок у скупченнях навколо якогось центру гравітації. Якщо виявиться, що в цьому центрі нічого немає, і зірки крутяться навколо навколо порожнього місця, можна досить впевнено сказати: у цій "порожнечі" знаходиться чорна діра. Саме за цією ознакою припустили наявність чорної дірки у центрі нашої Галактики та оцінили її масу.

2. Чорна діра активно всмоктує матерію з навколишнього простору. Міжзоряний пил, газ, речовина найближчих зірок падають на неї по спіралі, утворюючи так званий акреційний диск, подібний до кільця Сатурна. (Саме це й лякало в брукхевенському експерименті: чорна міні-дірка, що виникла в прискорювачі, почне всмоктувати в себе Землю, причому процес цей ніякими силами зупинити було б не можна.) Наближаючись до сфери Шварцшильда, частки відчувають прискорення і починають випромінювати в рентгенівському. Це випромінювання має характерний спектр, подібний до добре вивченого випромінювання частинок, прискорених у синхротроні. І якщо з якоїсь області Всесвіту приходить таке випромінювання, можна з упевненістю сказати – там має бути чорна діра.

3. При злитті двох чорних дірок виникає гравітаційне випромінювання. Підраховано, що якщо маса кожної становить близько десяти мас Сонця, то при їх злитті за лічені години у вигляді гравітаційних хвиль виділиться енергія, еквівалентна 1% їхньої сумарної маси. Це в тисячу разів більше за ту світлову, теплову та іншу енергію, яку випромінювало Сонце за весь час свого існування - п'ять мільярдів років. Виявити гравітаційне випромінювання сподіваються за допомогою гравітаційно-хвильових обсерваторій LIGO та інших, які будуються зараз в Америці та Європі за участю російських дослідників (див. "Наука і життя" № 5, 2000).

І все-таки, хоча в астрономів немає жодних сумнівів у існуванні чорних дірок, категорично стверджувати, що в цій точці простору знаходиться саме одна з них, ніхто не береться. Наукова етика, сумлінність дослідника вимагають отримати на поставлене запитання відповідь однозначна, яка не терпить різночитань. Мало оцінити масу невидимого об'єкта, потрібно виміряти його радіус і показати, що він не перевищує шварцшильдівський. А навіть у межах нашої Галактики це завдання поки що не вирішуване. Саме тому вчені виявляють відому стриманість у повідомленнях про їх виявлення, а наукові журнали буквально набиті повідомленнями про теоретичні роботи та спостереження ефектів, здатних пролити світло на їх загадку.

Є, щоправда, у чорних дірок і ще одна властивість, передбачена теоретично, яка, можливо, дозволила б їх побачити. Але, щоправда, за однієї умови: маса чорної дірки має бути набагато меншою від маси Сонця.

ЧОРНА ДІРА МОЖЕ БУТИ І "БІЛИЙ"

Довгий час чорні діри вважалися втіленням темряви, об'єктами, які у вакуумі, без поглинання матерії, нічого не випромінюють. Однак у 1974 році відомий англійський теоретик Стівен Хокінг показав, що чорним діркам можна приписати температуру, і, отже, вони мають випромінювати.

Згідно з уявленнями квантової механіки, вакуум - не порожнеча, а якась "піна простору-часу", мішанина з віртуалних (не спостерігаються в нашому світі) частинок. Однак квантові флуктуації енергії здатні "викинути" з вакууму пару частинок-античастин. Наприклад, при зіткненні двох-трьох гамма-квантів з нічого виникнуть електрон і позитрон. Це та аналогічні явища неодноразово спостерігалися у лабораторіях.

Саме квантові флуктуації визначають процеси випромінювання чорних дірок. Якщо пара частинок, що володіють енергіями Eі -E(Повна енергія пари дорівнює нулю), виникає в околиці сфери Шварцшильда, подальша доля частинок буде різною. Вони можуть анігілювати майже відразу або разом піти під обрій подій. При цьому стан чорної дірки не зміниться. Але якщо під обрій піде лише одна частка, спостерігач зареєструє іншу, і йому здаватиметься, що її породила чорна діра. При цьому чорна діра, що поглинула частинку з енергією -E, зменшить свою енергію, а з енергією E- Збільшить.

Хокінг підрахував швидкості, з якими йдуть усі ці процеси, і дійшов висновку: ймовірність поглинання частинок з негативною енергією вища. Це означає, що чорна діра втрачає енергію та масу – випаровується. Крім того, вона випромінює як абсолютно чорне тіло з температурою T = 6 . 10 -8 Mз/ Mкельвінів, де Mс - маса Сонця (2 . 10 33 г), M- Маса чорної дірки. Ця нескладна залежність показує, що температура чорної дірки з масою, що у шість разів перевищує сонячну, дорівнює одній стомільйонній частці градуса. Ясно, що таке холодне тіло практично нічого не випромінює, і всі наведені вище міркування залишаються в силі. Інша справа – міні-дірки. Легко побачити, що при масі 10 14 -10 30 грамів вони виявляються нагрітими до десятків тисяч градусів і розжарені до білого! Слід, проте, відразу відзначити, що протиріч із властивостями чорних дірок тут немає: це випромінювання випромінюється шаром над сферою Шварцшильда, а чи не під нею.

Отже, чорна діра, яка здавалася навіки застиглим об'єктом, рано чи пізно зникає, випаровуючись. Причому в міру того, як вона "худне", темп випаровування наростає, але все одно йде надзвичайно довго. Підраховано, що міні-дірки масою 10 14 грамів, що виникли відразу після Великого вибуху 10-15 мільярдів років тому, до нашого часу мають повністю випаруватися. На останньому етапі життя їхня температура досягає колосальної величини, тому продуктами випаровування повинні бути частинки надзвичайно високої енергії. Можливо, саме вони породжують в атмосфері Землі широкі амосферні зливи – шали. У всякому разі, походження частинок аномально високої енергії – ще одна важлива та цікава проблема, яка може бути впритул пов'язана з не менш захоплюючими питаннями фізики чорних дірок.

« 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 і 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 - стиснення 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 у 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 діри. 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.

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). Чорна діра Керра, що обертається, 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 у 1965-му 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 діра, найвідоміша з яких – виникнення в результаті гравітаційного колапсу зірки з 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 у 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. Прикладом таких реакцій є 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" в 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 горизонту 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 дірка? – 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 дірки 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 зразок 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 витягуватися в довжину. Для опису такого 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 у цій ситуації – залишається лише гадати. Варто зазначити, 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. Внаслідок 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 та 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 10 5 -10 10 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 (частки 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 у 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 втрачатиме 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 інформація, що поглинається, 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 діри хоч і вивчаються відносно довгий час, все ж таки мають безліч особливостей, механізми яких досі не відомі вченим.

• 1970-го року англійський учений 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 діри, і що залишається після квантового розпаду.

Цікаві факти про чорні діри

Підбиваючи підсумки вищесказаного, 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 означає, 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.

З усіх відомих людству об'єктів, які знаходяться в космічному просторі, чорні дірки справляють найжахливіше і найнезрозуміліше враження. Це відчуття охоплює практично кожну людину при згадці чорних дірок, незважаючи на те, що про них людству стало відомо вже понад півтора століття. Перші знання про ці явища були отримані ще задовго до публікацій Ейнштейна про теорію відносності. Але реальне доказ існування цих об'єктів було отримано недавно.

Звичайно ж, чорні дірки по праву славляться своїми дивними фізичними характеристиками, які породжують ще більше загадок у Всесвіті. Вони з легкістю кидають виклик усім космічним законам фізики та космічної механіки. Для того щоб усвідомити всі деталі та принципи існування такого явища, як космічна дірка, нам потрібно ознайомитись із сучасними досягненнями в астрономії та застосувати фантазію, крім того, доведеться вийти за рамки стандартних понять. Для більш легкого усвідомлення та ознайомлення з космічними дірками портал сайт підготував багато цікавої інформації щодо даних явищ у Всесвіті.

Особливості чорних дірок від порталу сайт

Насамперед, слід зазначити, що чорні дірки не беруться з нізвідки, вони утворюються із зірок, які мають гігантські розміри та масу. Крім того, найбільшою особливістю і унікальністю кожної чорної діри є те, що вони мають дуже сильне гравітаційне тяжіння. Сила тяжіння об'єктів до чорної дірки перевищує другу космічну швидкість. Такі показники гравітації говорять про те, що з поля дії чорної діри не можуть вирватися навіть промені світла, оскільки вони мають значно меншу швидкість.

Особливістю тяжіння можна назвати те, що воно притягує всі об'єкти, що знаходяться у безпосередній близькості. Чим більше об'єкт, який проходить поблизу чорної дірки, тим більшого впливу і притягування він отримає. Відповідно можна зробити висновок, що чим більше об'єкт, тим сильніше його притягує чорна дірка, а для того, щоб уникнути такого впливу космічне тіло має мати дуже високі швидкісні показники пересування.

Також можна з упевненістю відзначити, що у всьому Всесвіті немає такого тіла, яке змогло б уникнути тяжіння чорної дірки, опинившись у безпосередній близькості, оскільки навіть найшвидший за швидкістю світловий потік не може уникнути цього впливу. Для розуміння особливостей темних дірок добре підходить теорія відносності, виведена ще Ейнштейном. Відповідно до цієї теорії гравітація здатна впливати на час та спотворення простору. Також вона говорить, що чим більше об'єкт, що знаходиться в космічному просторі, тим сильніше він гальмує час. Недалеко від самої чорної діри час ніби зовсім зупиняється. При попаданні космічного корабля в поле дії космічної дірки можна було б спостерігати, як він з наближенням сповільнювався б, а зрештою зовсім зник.

Не варто дуже лякатися таких явищ, як чорні дірки та вірити всій ненауковій інформації, яка може існувати на даний момент. Перш за все, потрібно розвіяти найпоширеніший міф про те, що чорні дірки можуть всмоктувати всю матерію і об'єкти, що їх оточують, і при цьому вони збільшуються і поглинають все більше і більше. Все це не зовсім правильно. Так, дійсно, вони можуть поглинати космічні тіла та матерію, але тільки ті, що знаходяться на певній відстані від самої дірки. Окрім своєї потужної гравітації, вони мало чим відрізняються від звичайних зірок із гігантською масою. Навіть коли наше Сонце перетвориться на чорну дірку, воно зможе затягнути лише об'єкти, розташовані на невеликій відстані, а всі планети так і залишаться обертатися звичними орбітами.

Звертаючись до теорії відносності, можна дійти невтішного висновку, що це об'єкти із сильною гравітацією можуть проводити викривлення часу й простору. Крім того, чим більша маса тіла, тим і спотворення буде сильнішим. Так, зовсім недавно вченим вдалося побачити це на практиці, коли можна було споглядати інші об'єкти, які мали бути недоступними нашому погляду через величезні космічні тіла, такі як галактики або чорні дірки. Все це можливо за рахунок того, що світлові промені, що проходять поряд від чорної діри або іншого тіла, дуже сильно згинаються під впливом їх гравітації. Такий тип спотворення дозволяє вченим зазирнути значно далі у космічний простір. Але за таких досліджень дуже складно визначити реальне місцезнаходження досліджуваного тіла.

Чорні дірки не з'являються з нізвідки, вони утворюються внаслідок вибуху надмасивних зірок. Причому для того, щоб сформувалася чорна діра, маса підірваної зірки повинна бути як мінімум у десять разів більша, ніж маса Сонця. Кожна зірка існує за рахунок термоядерних реакцій, що проходять усередині зірки. При цьому виділяється сплав водню в процесі синтезу, але і він не може залишити зону дії зірки, оскільки гравітація її притягує водень назад. Весь цей процес дозволяє існувати зіркам. Синтез водню та гравітація зірки – досить налагоджені механізми, але порушення цього балансу може призвести до вибуху зірки. Найчастіше до нього призводять вичерпання ядерного палива.

Залежно від маси зірки можливі кілька сценаріїв розвитку після вибуху. Так, масивні зірки утворюють поле вибуху наднової зірки, причому більшість їх так і залишаються позаду ядра колишньої зірки, такі об'єкти астронавти називають Білими Карликами. Найчастіше навколо цих тіл утворюється газова хмара, яка утримується гравітацією цього карлика. Можливий і інший шлях розвитку надмасивних зірок, при якому отримана чорна дірка дуже притягатиме всю матерію зірки до її центру, що приведе до сильного її стиснення.

Такі стислі тіла називаються як нейтронні зірки. У рідкісних випадках після вибуху зірки можливе утворення чорної дірки у прийнятому нами розумінні цього явища. Але щоб було створено дірку, маса зірки має бути просто гігантською. У цьому випадку при порушенні балансу ядерних реакцій гравітація зірки просто божеволіє. При цьому вона починає активно колапсувати, після чого стає лише точкою у просторі. Інакше кажучи, можна сказати, що зірка як фізичний об'єкт перестає існувати. Незважаючи на те, що вона зникає, за нею утворюється чорна діра з тими самими показниками сили тяжіння та масою.

Саме колапсування зірок і призводить до того, що вони повністю зникають, а на їхньому місці формується чорна діра з тими самими фізичними властивостями, як і зірка, що зникла. Відмінністю стає тільки більший ступінь стиснення дірки, ніж обсяг зірки. Найголовнішою особливістю всіх чорних дірок є їхня сингулярність, яка і визначає її центр. Ця область протистоїть усім законам фізики, матерії та простору, які перестають існувати. Для розуміння поняття сингулярності можна сказати, що це бар'єр, який називають горизонтом космічних подій. Також вона є зовнішнім кордоном дії чорної дірки. Сингулярність можна назвати точкою неповернення, оскільки саме там починає діяти гігантська сила тяжіння дірки. Навіть світло, яке перетинає цей бар'єр, не в змозі вирватися.

Горизонт подій має такий ефект, що притягує, який притягує всі тіла зі швидкістю світла, з наближенням до самої чорної діри швидкісні показники ще більше збільшуються. Саме тому всі об'єкти, які потрапили до зони дії цієї сили, приречені на те, що їх затягне дірка. Потрібно відзначити, що подібні сили здатні видозмінювати тіло, що потрапило в силу дії такого тяжіння, після чого вони простягаються в тонку струну, а потім зовсім перестають існувати в просторі.

Відстань між горизонтом подій та сингулярністю може відрізнятися, цей простір названий радіусом Шварцшильда. Саме тому чим більший розмір чорної діри, тим більшим буде і радіус дії. Наприклад, можна сказати, що чорна діра, яка була б масою як наше Сонце, мала б радіус Шварцшильда за три кілометри. Відповідно великі чорні дірки мають більший радіус дії.

Пошук чорних дірок - досить складний процес, оскільки світло не може вирватися з них. Тому пошук та визначення спираються лише на непрямі докази їхнього існування. Найпростішим методом їх знаходження, який використовують вчені, є пошук їх за знаходженням місць у темному просторі, якщо вони мають велику масу. Найчастіше астрономам вдається шукати темні дірки в подвійних зіркових системах або в центрах галактик.

Більшість астрономів схильно вважати, що у центрі нашої галактики також існує надпотужна чорна діра. Це твердження породжує питання, чи ця діра зможе поглинути все в нашій галактиці? Насправді це неможливо, оскільки сама дірка має таку ж масу, як і зірки, бо вона й створена із зірки. Тим більше, всі розрахунки вчених не віщують жодних глобальних подій, пов'язаних з цим об'єктом. Більше того, ще мільярди років космічні тіла нашої галактики спокійно обертатимуться навколо цієї чорної дірки без будь-яких змін. Доказом існування дірки у центрі Чумацького Шляху може бути зафіксовані вченими рентгенівські хвилі. А більшість астрономів схильно вважати, що чорні дірки їх активно випромінюють у величезній кількості.

Досить часто в нашій галактиці поширені зіркові системи, що складаються з двох зірок, причому часто одна з них може стати чорною діркою. У цьому варіанті чорна діра поглинає всі тіла на своєму шляху, при цьому матерія починає обертатися навколо неї, за рахунок чого формується так званий диск прискорення. Особливістю можна назвати те, що вона збільшує швидкість обертання та наближається до центру. Саме матерія, яка потрапляє у середину чорної дірки, і випромінює рентгенівське випромінювання, а сама матерія у своїй руйнується.

Подвійні системи зірок є першими кандидатами на статус чорної діри. У таких системах найлегше можна знайти чорну дірку, за рахунок обсягу видимої зірки можна прорахувати показники невидимого побратима. Нині найпершим кандидатом на статус чорної діри може стати зірка із сузір'я Лебедя, яка активно випромінює рентгенівське проміння.

Роблячи висновок зі всього вищезгаданого про чорні діри можна сказати, що вони не такі вже й небезпечні явища, звичайно ж, у разі безпосередньої близькості вони є найпотужнішими через силу гравітації об'єктами в космічному просторі. Тому можна сказати, що вони особливо нічим не відрізняються від інших тіл, основною їх особливістю є сильне гравітаційне поле.

Щодо призначення чорних дірок було запропоновано безліч теорій, серед яких були навіть абсурдні. Так, по одній із них вчені вважали, що чорні дірки можуть породжувати нові галактики. Ця теорія спирається на те, що наш світ є досить сприятливим місцем для зародження життя, але у разі зміни одного з факторів життя було б неможливим. В силу цього сингулярність та особливості зміни фізичних властивостей у чорних дірах можуть породити зовсім новий Всесвіт, який значно відрізнятиметься від нашого. Але це лише теорія і досить слабка через те, що не існує жодних доказів подібного впливу чорних дірок.

Що стосується чорних дірок, то вони не тільки можуть поглинати матерію, але також можуть випаровуватися. Подібне явище було доведено кілька десятиліть тому. Це випаровування може призвести до того, що чорна дірка втратить всю свою масу, а далі зовсім зникне.

Все це є найменшою часткою інформації про чорні діри, яку Ви можете дізнатися на порталі сайту. Також ми маємо величезну кількість цікавої інформації про інші космічні явища.

Чорні дірки – мабуть, найтаємничіші та загадковіші астрономічні об'єкти у нашому Всесвіті, з моменту свого відкриття привертають увагу вчених чоловіків і розбурхують фантазію письменників-фантастів. Що ж таке чорні дірки і що вони являють собою? Чорні дірки - це згаслі зірки, в силу своїх фізичних особливостей, що мають настільки високу щільність і настільки потужну гравітацію, що навіть світла не вдається вирватися за їхні межі.

Історія відкриття чорних дірок

Вперше теоретичне існування чорних дірок, ще задовго до їхнього фактичного відкриття припустив якийсь Д. Мічел (англійський священик з графства Йоркшир, який на дозвіллі захоплюється астрономією) у далекому 1783 році. За його розрахунками, якщо наше взяти і стиснути (говорячи сучасною комп'ютерною мовою — заархівувати) до радіусу в 3 км., утворюється настільки велика (просто величезна) сила гравітації, що навіть світло не зможе її покинути. Так і з'явилося поняття «чорна діра», хоча насправді вона зовсім не чорна, на наш погляд, більш відповідним був би термін «темна діра», адже має місце саме відсутність світла.

Пізніше, 1918 року про питання чорних дірок у тих теорії відносності писав великий учений Альберт Эйнштейн. Але лише у 1967 році стараннями американського астрофізика Джона Уіллера поняття чорних дірок остаточно вибороло місце в академічних колах.

Як би там не було, і Д. Мічел, і Альберт Ейнштейн, і Джон Віллер у своїх роботах передбачали лише теоретичне існування цих загадкових небесних об'єктів у космічному просторі, проте справжнє відкриття чорних дірок відбулося у 1971 році, саме тоді вони вперше були помічені у телескоп.

Так виглядає чорна дірка.

Як утворюються чорні дірки в космосі

Як ми знаємо з астрофізики, всі зірки (в тому числі і наше Сонце) мають деякий обмежений запас палива. І хоча життя зірки може тривати мільярди світлових років, рано чи пізно цей умовний запас палива добігає кінця, і зірка «гасне». Процес «згасання» зірки супроводжується інтенсивними реакціями, в ході яких зірка проходить значну трансформацію і в залежності від свого розміру може перетворитися на білого карлика, нейтронну зірку або чорну дірку. Причому в чорну дірку зазвичай перетворюються найбільші зірки, що володіють неймовірно значними розмірами – за рахунок стискання цих найнеймовірніших розмірів відбувається багаторазове збільшення маси і сили гравітації новоствореної чорної діри, яка перетворюється на своєрідний галактичний пилосос – поглинає все і вся навколо себе.

Чорна діра поглинає зірку.

Маленька ремарка – наше Сонце за галактичними мірками зовсім не є великою зіркою і після згасання, яке відбудеться приблизно через кілька мільярдів років, на чорну дірку, швидше за все, не перетворитися.

Але будемо з вами відверті – на сьогоднішній день вчені поки що не знають усіх тонкощів утворення чорної діри, безсумнівно, це надзвичайно складний астрофізичний процес, який сам по собі може тривати мільйони світлових років. Хоча можливо просунутися в цьому напрямку могло б виявлення і подальше вивчення так званих проміжних чорних дірок, тобто зірок, що перебувають у стані згасання, у яких відбувається активний процес формування чорної діри. До речі, подібна зірка була виявлена ​​астрономами у 2014 році у рукаві спіральної галактики.

Скільки чорних дірок існує у Всесвіті

Згідно з теоріями сучасних учених у нашій галактиці Чумацького шляху може перебувати до сотні мільйонів чорних дірок. Не менша їх кількість може бути і в сусідній з нами галактиці, до якої від нашого Чумацького шляху летіти нема чого — 2,5 мільйона світлових років.

Теорія чорних дірок

Незважаючи на величезну масу (яка в сотні тисяч разів перевершує масу нашого Сонця) і неймовірної сили гравітацію побачити чорні дірки в телескоп було не просто, адже вони зовсім не випромінюють світла. Вченим вдалося помітити чорну дірку лише в момент її «трапези» — поглинання іншої зірки, у цей момент з'являється характерне випромінювання, яке можна спостерігати. Отже, теорія чорної діри знайшла фактичне підтвердження.

Властивості чорних дірок

Основна властивість чорно діри – це її неймовірні гравітаційні поля, що не дозволяють навколишньому простору та часу залишатися у своєму звичному стані. Так, ви не дочули, час усередині чорної діри протікає в рази повільніше ніж зазвичай, і опинись ви там, то повернувшись назад (якби вам так пощастило, зрозуміло) з подивом би помітили, що на Землі минули століття, а ви навіть постаріти не встигли. Хоча будемо правдиві, якби всередині чорної діри ви навряд чи вижили, оскільки сила гравітації там така, що будь-який матеріальний об'єкт просто розірвала б навіть не на частини, на атоми.

А от опиниться ви навіть поблизу чорної дірки, в межах дії її гравітаційного поля, то вам теж довелося б не солодко, тому що, чим сильніше ви б чинили опір її гравітації, намагаючись полетіти подалі, тим швидше б впали в неї. Причинною цьому здавалося б парадоксу є гравітаційне вихрове поле, яке мають усі чорні дірки.

Що якщо людина потрапить у чорну дірку

Випаровування чорних дірок

Англійський астроном С. Хокінг відкрив цікавий факт: чорні дірки також виявляється виділяють випаровування. Щоправда це стосується лише дірок порівняно невеликої маси. Потужна гравітація біля них народжує пари частинок і античастинок, один із пари втягується діркою всередину, а другий виривається назовні. Таким чином, чорна діра випромінює жорсткі античастинки та гамма-. Це випаровування або випромінювання чорної дірки було названо на честь вченого, що його відкрив – «випромінювання Хокінга».

Найбільша чорна діра

Відповідно до теорії чорних дірок у центрі багатьох галактик знаходяться величезні чорні діри з масами від кількох мільйонів до кількох мільярдів сонячних мас. І порівняно недавно вченими були відкриті дві найбільші чорні дірки, відомі на сьогоднішній момент, вони знаходяться у двох довколишніх галактиках: NGC 3842 та NGC 4849.

NGC 3842 – найяскравіша галактика у сузір'ї Лева, від нас знаходиться на відстані 320 мільйонів світлових років. У центрі її є велика темна діра масою на 9,7 мільярда сонячних мас.

NGC 4849 – галактика в скупчення Кома, на відстані 335 мільйонів світлових років від нас може похвалитись не менш великою чорною діркою.

Зони дії гравітаційного поля цих гігантських чорних дірок, або кажучи академічною мовою, їхній горизонт подій, приблизно в 5 разів більше дистанції від Сонця до! Така чорна діра з'їла б нашу сонячну систему і навіть не поперхнулася б.

Найменша чорна діра

Але є у великому сімействі чорних дірок і дуже дрібні представники. Так сама карликова чорна діра, відкрита вченими на даний момент за своєю масою лише в 3 рази перевершує масу нашого Сонця. По суті це теоретичний мінімум, необхідний освіти чорної дірки, якби та зірка трохи менше, дірка б не утворилася.

Чорні дірки - канібали

Так, є таке явище, як ми писали вище, чорні діри є свого роду «галактичними пилососами», що поглинають все навколо себе, і навіть інші чорні діри. Нещодавно астрономами було виявлено поїдання чорної діри з однієї галактики ще великою чорною ненажерою з іншої галактики.

• Згідно з гіпотезами деяких вчених чорні дірки є не лише галактичними пилососами, що всмоктують все в себе, але за певних обставин можуть і самі породжувати нові всесвіти.
• Чорні дірки можуть випаровуватися з часом. Вище ми писали, що англійським вченим Стівеном Хокінгом було відкрито, що чорні дірки мають властивість випромінювання і через якийсь дуже великий відрізок часу, коли поглинати навколо буде вже нічого, чорна діра почне більше випаровувати, поки згодом не віддасть всю свою масу в навколишній космос. Хоча це лише припущення, гіпотеза.
• Чорні дірки уповільнюють час та викривляють простір. Про уповільнення часу ми вже писали, але й простір в умовах чорної дірки буде викривлено.
• Чорні дірки обмежують кількість зірок у Всесвіті. А саме їхні гравітаційні поля перешкоджають остиганню газових хмар у космосі, з яких, як відомо, народжуються нові зірки.

Чорні дірки на каналі Discovery

І на завершення пропонуємо вам цікавий науково-документальний фільм про чорні діри від каналу Discovery