З усіх відомих людству об'єктів, що 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

Насамперед, треба 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 діри, тим більшого впливу і притягання він отримає. Відповідно можна зробити висновок, що чим більше об'єкт, тим сильніше його притягує чорна дірка, а для того, щоб уникнути подібного 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 каже, що чим більше об'єкт, що знаходиться в космічному просторі, тим сильніше він гальмує час. Поблизу 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 сильно лякатися таких явищ, як чорні дірки та вірити всій ненауковій інформації, яка може існувати зараз. 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 за 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 повинні були бути недоступні 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 дірка, 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 діри 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 був 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 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, що 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 взагалі 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 їх 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 ж у 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 діра має таку саму 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 діри без жодних 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 великій кількості.

Досить часто в нашій галактиці поширені зіркові системи, що складаються з двох зірок, причому часто одна з них може стати чорною дірою. У цьому варіанті чорна діра поглинає всі тіла своєму шляху, у своїй матерія починає обертатися навколо неї, з допомогою чого формується так званий диск прискорення. Особливістю можна назвати те, що вона збільшує швидкість обертання та наближається до центру. Саме матерія, яка потрапляє до середини чорної діри, 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 рентгенівські промені.

Роблячи висновок з усього 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 їхньою 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 абсолютно 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 взагалі зникне.

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

Поняття чорної діри відоме всім — від школяра до людей похилого віку, воно використовується у науковій та фантастичній літературі, у жовтих ЗМІ та на наукових конференціях. Але що конкретно є такі дірки, відомо далеко не всім.

З історії чорних дірок

1783Перша гіпотеза існування такого явища, як чорна діра, була висунута в 1783 англійським вченим Джоном Мічеллом. У своїй теорії він об'єднав два витвори Ньютона - оптику та механіку. Ідея Мічелла була така: якщо світло - це потік найдрібніших частинок, то, як і всі інші тіла, частинки повинні відчувати тяжіння гравітаційного поля. Виходить, чим масивніша зірка, тим складніше світлу чинити опір її тяжінню. Через 13 років після Мічелла, французький астроном і математик Лаплас висунув (швидше за все, незалежно від британського колеги) схожу теорію.

1915 р.Проте, всі їхні праці залишалися незатребуваними до початку XX століття. В 1915 Альберт Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності і показав, що гравітація є викривлення простору-часу, викликане матерією, а через кілька місяців німецький астроном і фізик-теоретик Карл Шварцшильд використовував її для вирішення конкретної астрономічної задачі. Він досліджував структуру викривленого простору-часу навколо Сонця і наново відкрив феномен чорних дірок.

(Джон Уілер ввів у науковий побут термін "Чорні дірки")

1967 р.Американський фізик Джон Уілер описав простір, який можна скомкати, подібно до листка паперу, в нескінченно малу точку і позначив терміном "Чорна діра".

1974 р.Британський фізик Стівен Хокінг довів, що чорні дірки, хоч і поглащають метерію без повернення, можуть випромінювати і врешті-решт випаровуватися. Таке явище отримало назву "випромінювання Хокінга".

2013 р.Нові дослідження пульсарів і квазарів, і навіть відкриття реліктового випромінювання, нарешті уможливили описати саме поняття чорних дірок. У 2013 році газова хмара G2 наблизилася на дуже близьку відстань до чорної діри і швидше за все буде поглинена їй, спостереження за унікальним процесом дає величезні можливості для нових відкриттів особливостей чорних дірок.

(Масивний об'єкт Стрілець А*, його маса більша за Сонце в 4 млн разів, де мається на увазі скупчення зірок і утворення чорної діри)

2017 р. Група вчених із колоборації кількох країн Event Horizon Telescope, зв'язавши вісім телескопів з різних точок континентів Землі, проводили спостереження за чорною дірою, яка є надмасивним об'єктом і знаходиться в галактиці М87, сузір'я Діва. Маса об'єкта 6,5 млрд (!) сонячних мас, в гігантські рази більше за масивний об'єкт Стрілець А*, для порівняння діаметром трохи менше відстані від Сонця до Плутона.

Спостереження проводилися у кілька етапів, починаючи з весни 2017 року та на протязі періодів 2018 року. Обсяг інформації обчислювався петабайтами, які потім слід розшифрувати і отримати справжній знімок наддалекого об'єкта. Тому потрібно ще цілих два роки для досканальної обробки всіх даних і з'єднання їх в одне ціле.

2019 р.Дані були успішно розшифровані та наведені у вигляд, отримавши перше в історії зображення чорної діри.

(Перший в історії знімок чорної діри в галактики М87 у сузір'ї Діва)

Роздільна здатність зображення дозволяє побачити тінь точки неповернення в центрі об'єкта. Зображення отримано в результаті інтерферометричних спостережень із наддовгою базою. Це так звані синхронні спостереження одного об'єкта з декількох радіотелескопів, з'єднаних між собою мережею і що знаходяться в різних частинах земної кулі, спрямованих в один бік.

Чим насправді є чорні дірки

Лаконічне пояснення парадоксу звучить так.

Чорна діра - це просторово-часова область, чиє гравітаційне тяжіння настільки велике, що її не може залишити жоден об'єкт, у тому числі світлові кванти.

Колись чорна дірка була масивною зіркою. Поки термоядерні реакції підтримують у надрах високий тиск, все залишається в нормі. Але згодом запас енергії виснажується і небесне тіло, під впливом своєї гравітації, починає стискатися. Завершальний етап цього процесу - схлопування зоряного ядра та утворення чорної діри.

• 1. Викидання чорної дірою струменя на високій швидкості


• 2. Диск матерії переростає в чорну дірку


• 3. Чорна діра


• 4. Детальна схема регіону чорної дірки


• 5. Розмір знайдених нових спостережень

Найпоширеніша теорія свідчить, що подібні феномени є в кожній галактиці, в тому числі і в центрі нашого Чумацького Шляху. Величезна сила тяжіння діри здатна утримувати навколо себе кілька галактик, не даючи їм віддалятися один від одного. "Площа покриття" може бути різною, все залежить від маси зірки, яка перетворилася на чорну дірку, і може становити тисячі світлових років.

Радіус Шварцшільда

Головна властивість чорної діри — будь-яка речовина, яка в неї потрапила, ніколи не зможе повернутись. Те саме стосується і світла. По своїй суті дірки - це тіла, які повністю поглинають весь світло, що потрапляє на них, і не випускають власного. Такі об'єкти візуально можуть здаватися згустками абсолютної темряви.

• 1. Матерія, що рухається, в половину швидкості світла


• 2. Фотонне кільце


• 3. Внутрішнє фотонне кільце


• 4. Горизонт подій у чорній дірі

Відштовхуючись від Загальної теорії відносності Ейнштейна, якщо тіло наблизилося на критичну відстань до центру дірки, воно вже не зможе повернутися. Цю відстань називають радіусом Шварцшильда. Що саме відбувається всередині цього радіусу невідомо, але є найбільш поширена теорія. Вважається, що вся речовина чорної діри концентрується в нескінченно малій точці, а в її центрі знаходиться об'єкт з нескінченною щільністю, який вчені називають сингулярним обуренням.

Як відбувається падіння в чорну дірку

(На картинці чорна діра Стрільця А* виглядає вкрай яскравим скупченням світла)

Нещодавно, в 2011 році, вчені виявили газову хмару, давши їй нескладну назву G2, яка випромінює незвичайне світло. Таке світіння може давати тертя в газі та пилу, що викликається дією чорної діри Стрільця А* і які обертаються навколо неї як акреційний диск. Таким чином, ми стаємо спостерігачами дивовижного явища поглинання надмасивною чорною дірою газової хмари.

За останніми дослідженнями найбільше зближення із чорною дірою відбудеться у березні 2014 року. Ми можемо відтворити картину того, як буде це захоплююче видовище.

• 1. При першій появі в даних газова хмара нагадує величезну кулю з газу та пилу.


• 2. Зараз станом на червень 2013 року хмара знаходиться за десятки мільярдів кілометрів від чорної діри. Воно падає до неї зі швидкістю 2500 км/с.


• 3. Очікується, що хмара пройде повз чорну дірку, але приливні сили, спричинені різницею в тяжінні, що діє на передній і задній край хмари, змусять її приймати все більш витягнуту форму.


• 4. Після того, як хмара буде розірвана, більша її частина, швидше за все, увіллється в акреційний диск навколо Стрільця А*, породжуючи в ньому ударні хвилі. Температура при цьому підскочить до кількох мільйонів градусів.


• 5. Частина хмари впаде прямо в чорну дірку. Ніхто не знає точно, що станеться потім із цією речовиною, але очікується, що в процесі падіння воно випромінюватиме потужні потоки рентгенівських променів, і більше його ніхто не побачить.

Відео: чорна діра поглинає газову хмару

(Комп'ютерне моделювання того, як більшість газової хмари G2 буде зруйновано і поглинено чорною діркою Стрільцем А*)

Що там усередині чорної діри

Існує теорія, яка стверджує, що чорна діра всередині практично порожня, а вся її маса зосереджена в неймовірно маленькій точці, що знаходиться в самому її центрі - сингулярності.

Згідно з іншою теорією, що існує протягом півстоліття, все, що потрапляє в чорну дірку, переходить в інший всесвіт, що знаходиться в самій чорній дірі. Нині це теорія перестав бути основний.

І є третя, найсучасніша і живуча теорія, за якою все, що потрапляє в чорну дірку, розчиняється в коливаннях струн на її поверхні, яку позначають як горизонт подій.

Так що ж таке – обрій подій? Всередину чорної дірки не можна зазирнути навіть надпотужним телескопом, тому що навіть світло, потрапляючи всередину гігантської космічної вирви, не має шансів виринути назад. Все, що можна хоч якось розглянути, знаходиться в її найближчих околицях.

Горизонт подій - це умовна лінія поверхні, з якої ніщо (ні газ, ні пил, ні зірки, ні світло) вийти вже не зможе. І ось це і є та сама таємнича точка неповернення в чорних дірах Всесвіту.

Чорні діри - одні з найдивніших і найцікавіших тіл у Всесвіті. Вони є об'єктами із надзвичайно високою щільністю. І мають таке сильне гравітаційне тяжіння, що навіть світло не може втекти від їхніх жахливих обіймів.

Альберт Ейнштейн вперше передбачив існування чорних дірок у 1916 році у своїй спільній теорією відносності. Термін «чорна діра» був придуманий 1967 року американським астрономом Джоном Уілером. Вперше був використаний у 1971 році.

Існує три типи чорних дірок: звичайні чорні дірки, надмасивні чорні дірки та проміжні чорні дірки.

Звичайні чорні дірки. Невеликі, але смертельні

У 2014 році астрономи виявили об'єкт, який виявився чорною діркою проміжної маси. Він знаходиться у рукаві спіральної галактики.

Теорія чорних дірок - як вони працюють

Чорні дірки неймовірно масивні. Але при цьому займають невелику область простору. Між масою та гравітацією існує прямий зв'язок. Це означає, що вони мають надзвичайно сильне гравітаційне поле. Практично ніщо не може уникнути них. У класичній фізиці навіть світло, потрапляючи в темну дірку, не може покинути її.

Таке сильне тяжіння створює проблему спостереження, коли доходить до чорних дірок. Вчені просто не можуть бачити їх так, як вони можуть бачити зірки та інші об'єкти в космосі. Для виявлення цих об'єктів вчені покладаються на випромінювання, яке випромінюється, коли пил та газ поглинається чорною дірою. , що лежать у центрі галактики, можуть бути оповиті пилом і газом, що знаходяться навколо них. Це може блокувати контроль контрольних викидів.

Іноді, коли матерія рухається до чорної діри, вона рикошетом покидає обрій подій і вилітає назовні, а не втягується всередину. Створюються яскраві струмені матеріалу, що рухається практично з релятивістськими швидкостями. Хоча сама чорна діра залишається невидимою, ці потужні струмені можна побачити з величезних відстаней.

Обрій подій

Чорні діри мають три «шари» — зовнішній, горизонт подій та сингулярність.

Горизонт подій чорної діри - це те місце, де світло втрачає здатність до "втечі". Коли частка перетинає обрій подій, вона вже не може покинути чорну дірку. На обрії подій гравітація стала.

Внутрішня область чорної діри, де міститься її маса, відома як сингулярність. Це єдина точка у просторі – часу, де зосереджена маса чорної діри.

За уявленнями класичної механіки та фізики ніщо не може. Однак, коли до рівняння додається квантова механіка, дещо змінюється. У квантовій механіці кожної частки є античастка. Це частка з однаковою масою та протилежним електричним зарядом. Коли вони зустрічаються, пара частка-частинка може анігілювати.

Якщо пара частинка-античастинка створюється поза досяжністю горизонту подій чорної діри, одна з частинок може впасти в чорну дірку, а інша виштовхнена. В результаті маса чорної дірки зменшується. Цей процес називається випромінюванням Хокінга. І чорна діра може почати розпадатися, що відкидається класичною механікою.

Вчені все ще працюють над тим, щоби створити рівняння, за допомогою яких можна було зрозуміти, як функціонують чорні дірки.

Сяюче світло подвійних чорних дірок

У 2015 році астрономи, які використовують гравітаційно-хвильову обсерваторію лазерного інтерферометра (), вперше виявили гравітаційні хвилі. З того часу за допомогою цього інструменту спостерігалося кілька інших подібних інцидентів. Гравітаційні хвилі, помічені LIGO, виникли від злиття невеликих чорних дірок.

Спостереження LIGO також дають уявлення про напрямок обертання чорної діри. Коли пара чорних дірок обертається по спіралі навколо один одного, вони можуть обертатися в одному напрямку. Або напрями обертання можуть бути різними.

Існує дві теорії у тому, як утворюються бінарні чорні дірки. Перша передбачає, що вони утворилися приблизно в той самий час, від двох зірок. Вони могли народитися разом та загинути приблизно одночасно. Зірки-компаньйони мали б схожий напрямок обертання. Тому чорні дірки, які вони залишили, теж оберталися б так.

За другою моделлю чорні діри в зоряному кластері опускаються в його центр і з'єднуються. Ці компаньйони мали б випадкові орієнтації спина в порівнянні один з одним. Спостереження чорних дірок з різною орієнтацією спина, виготовлені за допомогою LIGO, дають переконливіші докази цієї теорії освіти.

Ваша смерть настане перш, ніж ви досягнете сингулярності. Дослідження 2012 року передбачає, що призведуть до того, що обрій подій діятиме як стіна вогню, миттєво спалюючи вас до смерті.

Чорні діри не засмоктують. Всмоктування викликане виштовхуванням чогось у вакуум, яким масивна чорна дірка безумовно не є. Натомість об'єкти просто потрапляють у них.

Першим об'єктом, який вважається виявленою чорною дірою, є Cygnus X-1. З 1971 року вчені виявили радіовипромінювання, що виходять від Cygnus X-1. Було виявлено масивний прихований об'єкт, який був ідентифікований як чорна дірка.

Cygnus X-1 був предметом товариської суперечки 1974 між Стівеном Хокінгом і фізиком-теоретиком Кіпом Торном. Останній стверджував, що це джерело було чорною діркою. У 1990 році Хокінг визнав свою поразку.

Мініатюрні чорні дірки могли утворитися відразу після. Швидко розширюється простір, можливо, стиснуло деякі свої області в крихітні щільні чорні дірки. Вони були менш масивні, ніж Сонце.

Якщо зірка проходить надто близько до чорної діри, вона може бути поглинена їй. За оцінками астрономів, у Чумацькому Шляху від 10 мільйонів до мільярда чорних дірок з масами, що приблизно втричі перевищують масу Сонця.

Теорія струн передбачає більше типів масивних гігантських чорних дірок, ніж звичайна класична механіка.

Чорні діри є чудовим матеріалом для науково-фантастичних книг та фільмів. Фільм значно покладався на консультації теоретичного фізика Кіпа Торна. Це дозволило привнести справжню науку продукт Голлівуду. Фактично, робота зі спецефектами для блокбастера призвела до поліпшення наукового розуміння того, як можуть виглядати далекі світи, коли вони розташовані поблизу чорної діри, що швидко обертається.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Вконтакте

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 вказані явища або зовсім поверхове, або зовсім помилкове. 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 суспільству якесь гіпотетичне масивне тіло, яке має настільки сильне гравітаційне тяжіння, що друга космічна швидкість для нього буде перевищувати швидкість світла. Друга космічна швидкість - це швидкість, яка буде потрібно 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.

Проте, концепція надмасивного тіла, запропонована Мічеллом, не приваблювала собі великого інтересу, 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 лише 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 б розташовувався 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. Остання 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. складові 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, тому що враховує всі три параметри ЧД. Проте, все-таки передбачається, що у природі чорні дірки мають несуттєвий заряд.

Утворення чорної діри

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 для компенсації тих же гравітаційних сил може виникнути темна діра.

Два інші 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 і 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 вирішення 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. Ця 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 якою нижня межа маси ЧД становить 2.5 – 3 маси Сонця. Найважча чорна діра, яку вдалося виявити (в 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 знаходився обрій 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. Проте, для квантових чорних дірок радіус дорівнює - 10-35 м.
• Середня щільність чорної діри 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 понад 10 10 мас Сонця можуть мати середню щільність меншу за щільність 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 із спектром абсолютно чорного тіла, тобто тіла, що поглинає все падаюче випромінювання. Спектр випромінювання чорного тіла залежить тільки від його температури, тоді температуру ЧД можна визначити за спектром випромінювання Хокінга. Як було зазначено вище, це випромінювання тим сильніше, що менше темна діра. У цьому випромінювання Хокинга залишається гіпотетичним, оскільки ще спостерігалося астрономами. З цього випливає, що якщо випромінювання Хокінга існує, то температура ЧД настільки мала, що не дозволяє зареєструвати зазначене випромінювання. Згідно з розрахунками навіть температура діри з масою порядку маси Сонця - зневажливо мала (1 · 10 -7 К або -272 ° C). Температура ж квантових чорних дірок може досягати близько 10 12 К і за їх швидкому випаровуванні (близько 1.5 хв.) такі ЧД можуть випромінювати енергію близько десяти мільйонів атомних бомб. Але, на щастя, для створення таких гіпотетичних об'єктів знадобиться 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, тому що 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, горизонт подій та сингулярність. Логічно припустити, що в ергосфері є ті об'єкти, які були притягнуті чорною дірою, 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 в бік останньої основної складової ЧД - сингулярності. Природа сингулярності сьогодні не вивчена і про її склад говорити ще рано.

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, основна частина чорної діри складається з нейтронів, у тому числі і сама нейтронна зірка. Простими словами: при колапс зірки її атоми стискаються таким чином, що електрони з'єднуються з протонами, тим самим утворюючи нейтрони. Подібна реакція справді має місце у природі, у своїй із заснуванням нейтрона відбувається випромінювання нейтрино. Проте це лише припущення.

Що буде, якщо потрапити в чорну дірку?

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 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 даній ситуації – залишається лише гадати. Варто зазначити, що ефект розтягування тіла обернено пропорційний масі чорної діри. Тобто якщо ЧД з масою трьох Сонців миттєво розтягне/розірве тіло, то надмасивна чорна дірка 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 тече повільніше, а значить, час для космонавта-смертника буде текти 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» у 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, тому що космонавт-смертник все більше віддаляється від спостерігача, хоч і практично непомітно, і його час тече 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 космічний корабель, що падає, 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 настільки сильного викривлення простору потрібні тіла з гігантською масою, за участю яких добре впоралися б чорні дірки.

Міст Ейнштейна-Розена - вважається непрохідною кротовою норою, тому що 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 ОТО, 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 відносно недавно (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, тому що 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 прилеглих об'єктів, на кшталт накопичення 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 щільність, 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 зоряної 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-го року була розташована 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, тому що 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 діри 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 дірою.

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 її матерію, то доживе до ери чорних дір - одна з епох розвитку Всесвіту, під час якої в ній домінуватимуть чорні діри. Якщо ж ядро ​​галактики S5 0014+81 продовжить розростатися, воно стане однією з останніх чорних дірок, які існуватимуть у Всесвіті.

Інші дві відомі чорні діри, хоч і не мають власних назв, мають найбільше значення для дослідження чорних дірок, тому що підтвердили їхнє існування експериментально, а також дали важливі результати вивчення гравітації. Йдеться 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 абсолютно 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. Проте, 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, у 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 і тому складно її 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. З огляду на настільки потужного гравітаційного тяжіння притягувана матерія настільки розігріта, що інтенсивно випромінює. Виявлення подібних об'єктів зазвичай зіставляється з виявленням чорної дірки. Іноді квазари можуть випромінювати в 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 дірою.

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

Підбиваючи підсумки вищесказаного, можна уявити, 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 в результаті взаємного гравітаційного тяжіння злилися в одну. Важливим наслідком цього зіткнення стало 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 покинути межі чорної діри, якщо перейшло її горизонт 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 одна з одною, при цьому не взаємодіючи з навколишнім світом. Але якщо подібні пари виникнуть на горизонті подій чорної діри, то сильна гравітація гіпотетично здатна їх розділити, при цьому одна частка впаде всередину ЧД, а інша вирушить у напрямку від чорної діри. І так як 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 діри, 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 еквівалентним 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.

Невирішений 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 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. Проте 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 вивчена природа та фізика гравітаційної сингулярності.
• Невідомо, що відбувається на завершальному етапі існування чорної діри, і що залишається після її 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 та 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, йде 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 темна діра.
• У майбутньому, згідно з теоретичною моделлю, Всесвіт досягне так званої епохи чорних дірок, коли ЧД стануть домінуючими тілами у Всесвіті.

Більшість вважає, що відкриття існування чорних дірок - заслуга Альберта Ейнштейна.

Однак Ейнштейн закінчив свою теорію до 1916 року, а Джон Мітчелл обмірковував цю ідею ще в далекому 1783-му. Вона не знайшла застосування, тому що цей англійський священик просто не знав, що з нею робити.

Мітчелл почав розробляти теорію чорних дірок, коли прийняв ідею Ньютона, за якою світло складається з маленьких матеріальних частинок, які називаються фотонами. Він міркував про рух цих світлових частинок і дійшов висновку, що залежить від гравітаційного поля зірки, що вони покидають. Він намагався зрозуміти, що станеться з цими частинками, якщо гравітаційне поле буде занадто великим, щоб світло могло його покинути.

Мітчелл також є фундатором сучасної сейсмології. Він припустив, що землетруси поширюються в землі подібно до хвиль.

2. Вони справді притягують простір навколо себе

Спробуйте уявити космос як гумового листа. Уявіть, що планети – це кульки, які тиснуть на цей аркуш. Він деформується і не має прямих ліній. Це створює гравітаційне поле та пояснює, чому планети рухаються навколо зірок.

Якщо маса об'єкта зросте, деформація простору може стати ще більше. Ці додаткові обурення збільшують силу тяжіння і прискорюють рух орбітою, змушуючи супутники рухатися навколо об'єктів дедалі швидше.

Наприклад, Меркурій рухається навколо сонця зі швидкістю 48 км/с, тоді як орбітальна швидкість зірок неподалік чорної діри у центрі нашої галактики сягає 4800 км/с.

Якщо сила тяжіння досить сильна, супутник стикається з великим за розміром об'єктом.

3. Не всі чорні дірки однакові

Ми зазвичай думаємо, що всі чорні дірки по суті одне й те саме. Проте астрономи нещодавно з'ясували, що їх можна поділити на кілька різновидів.

Є чорні діри, що обертаються, чорні діри з електричним зарядом і чорні діри, що включають риси перших двох. Звичайні чорні діри виникають шляхом поглинання матерії, а чорна діра, що обертається, утворюється шляхом злиття двох таких дірок.

Ці чорні діри витрачають набагато більше енергії через зростання обурення простору. Заряджена чорна діра, що обертається, діє як прискорювач частинок.

Чорна діра, названа GRS 1915+105, розташована на відстані близько 35 тисяч світлових років від Землі. Вона крутиться зі швидкістю 950 оборотів за секунду.

4. Їхня щільність неймовірно висока

Чорним діркам необхідно бути надмірно масивними при неймовірно маленьких розмірах, щоб створювати досить велику силу тяжіння для стримування світла. Наприклад, якщо зробити чорну дірку масою, що дорівнює масі Землі, то вийде кулька з діаметром всього 9 мм.

Чорна діра, маса якої в 4 мільйони разів перевищує масу Сонця, може уміститися у простір між Меркурієм та Сонцем. Чорні дірки в центрі галактик можуть мати масу, що перевищує масу Сонця від 10 до 30 мільйонів разів.

Така велика маса на такому маленькому просторі означає, що чорні дірки мають неймовірно велику щільність і сили, що діють у них, також дуже сильні.

5. Вони досить галасливі

Все, що оточує чорну дірку, затягується в цю прірву і водночас прискорюється. Горизонт подій (кордон області простору-часу, починаючи з якого інформація не може досягти спостерігача через кінцівку швидкості світла; прим. mixstuff) розганяє частинки майже до швидкості світла.

Під час перетину матерією центру горизонту подій виникає звук, що булькає. Цей звук є перетворенням енергії руху на звукові хвилі.

У 2003 році астрономи за допомогою космічної рентгенівської обсерваторії Чандра зафіксували звукові хвилі, що виходять від надмасивної чорної діри, що знаходиться на відстані 250 мільйонів світлових років.

6. Ніщо не може вислизнути від їх тяжіння

Коли щось (це може бути і планета, і зірка, і галактика, і частка світла) проходить досить близько від чорної діри, цей об'єкт неминуче буде захоплений її гравітаційним полем. Якщо щось ще впливає на об'єкт, скажімо, на ракету, сильніше сили тяжіння чорної діри, він зможе уникнути поглинання.

Доти, звичайно, поки що воно не досягне горизонту подій. Крапки, після якої залишити чорну дірку вже неможливо. Для того, щоб залишити горизонт подій, необхідно розвинути швидкість більшу за швидкість світла, а це неможливо.

Це темна сторона чорної діри - якщо світло не може її покинути, то ми ніколи не зможемо зазирнути всередину.

Вчені вважають, що навіть маленька чорна дірка розірве вас на шматки задовго до того, як ви проскочите через обрій подій. Сила тяжіння тим більша, чим ви ближче до планети, зірки або чорної діри. Якщо ви летите до чорної діри вперед ногами, то сила тяжіння у ваших ступнях буде набагато більшою, ніж у голові. Це розірве вас на частини.

7. Вони уповільнюють час

Світло огинає обрій подій, але, зрештою, він захоплюється у небуття, коли проникає всередину.

Можна описати те, що відбудеться з годинником, якщо вони потраплять усередину чорної дірки і вціліють там. У міру наближення до горизонту подій вони уповільнюватимуться і зрештою повністю зупиняться.

Це заморожування часу відбувається внаслідок гравітаційного уповільнення часу, що пояснюється теорією відносності Ейнштейна. Сила тяжіння у чорній дірі настільки велика, що вона може уповільнювати час. З точки зору годинника, все йде нормально. Годинник пропаде з поля зору, у той час як світло від них ще розтягуватиметься. Світло стає все більш червоним, довжина хвилі буде збільшуватися і в результаті він вийде за межі видимого діапазону.

8. Вони є досконалими виробниками енергії

Чорні дірки засмоктують усю навколишню масу. Всередині чорної діри все це пресується настільки сильно, що простір між окремими елементами атомів стискається, і в результаті утворюються субатомні частинки, здатні вилітати назовні. Ці частинки вириваються з чорної діри завдяки лініям магнітного поля, що перетинають обрій подій.

Виділення частинок створює енергію досить ефективним способом. Перетворення маси в енергію цим шляхом в 50 разів набагато ефективніше, ніж ядерний синтез.

9. Вони обмежують кількість зірок

Якось відомий астрофізик, Карл Саган, сказав: у Всесвіті більше зірок, ніж піщинок на пляжах усього світу. Але схоже, що у Всесвіті лише 10 22 зірки.

Це число визначається кількістю чорних дірок. Потоки частинок, що випускаються чорними дірками, розширюються до бульбашок, які поширюються крізь області формування зірок. Області формування зірок - це ділянки газових хмар, які можуть охолоджуватися та утворювати зірки. Потоки частинок нагрівають ці газові хмари і запобігають появі зірок.

Це означає, що існує збалансоване співвідношення між кількістю зірок та активністю чорних дірок. Дуже велика кількість зірок, розташованих у галактиці, зробить її занадто гарячою та вибухонебезпечною для розвитку життя, проте занадто маленька кількість зірок також не сприяє виникненню життя.

10. Ми складаємося з одного і того ж матеріалу

Деякі дослідники вважають, що чорні дірки допоможуть нам при створенні нових елементів, тому що вони розбивають матерію на субатомні частки.

Ці частинки беруть участь в утворенні зірок, що в свою чергу веде до створення елементів важче гелію, таких як залізо та вуглець, необхідних для утворення твердих планет та життя. Ці елементи входять до складу всього, що має масу, а отже, і нас з вами.

Найбільші наукові відкриття 2014 року

10 основних питань про Всесвіт, відповіді на які вчені шукають прямо зараз

Чи були американці на Місяці?

Подивіться на цей вражаючий вихор сміття, яким оточена наша планета

Слухайте звучання космосу