Гіпотеза існування чорних дірок була вперше висунута англійським астрономом Дж. Мічеллом у 1783 р. на основі корпускулярної теорії світла та ньютонівської теорії тяжіння. На той час хвильова теорія Гюйгенса та його знаменитий хвильовий принцип були просто забуті. Не допомогла хвильової теорії підтримка деяких маститих вчених, зокрема, відомих петербурзьких академіків М.В. Ломоносова та Л. Ейлера. Логіка міркувань, що привела Мічелла до поняття чорної діри, дуже проста: якщо світло складається з частинок-корпускул світлоносного ефіру, то ці частинки повинні відчувати, подібно до інших тіл, тяжіння з боку гравітаційного поля. Отже, чим масивніша зірка (або планета), тим більше тяжіння з її боку повинні відчувати корпускули і тим важче світла залишити поверхню такого тіла.
Подальша логіка підказує, що в природі можуть існувати такі масивні зірки, тяжіння яких корпускули вже не зможуть подолати, і вони завжди здаватимуться чорними для зовнішнього спостерігача, хоча самі по собі можуть світитися сліпучим блиском, як Сонце. Фізично це означає, що друга космічна швидкість на поверхні такої зірки має бути не меншою за швидкість світла. Обчислення Мічелла дають, що світло ніколи не покине зірку, якщо її радіус при середній сонячній щільності дорівнюватиме 500 сонячним. Ось таку зірку і можна назвати чорною діркою.
Через 13 років французький математик та астроном П.С. Лаплас висловив, найімовірніше, незалежно від Мічелла, аналогічну гіпотезу про існування подібних екзотичних об'єктів. Використовуючи громіздкий метод обчислення, Лаплас знайшов радіус кулі для заданої щільності, на поверхні якого параболічна швидкість дорівнює швидкості світла. На думку Лапласа, корпускули світла, будучи частинками, що тяжіють, повинні затримуватися випромінюючими світло масивними зірками, які мають щільність, рівну щільності Землі, а радіус більше сонячного в 250 разів.
Ця теорія Лапласа увійшла лише в перші два прижиттєві видання його знаменитої книги «Виклад системи світу», що вийшла друком у 1796 і 1799 рр. Так, мабуть, ще австрійський астроном Ф. К. фон Цах зацікавився теорією Лапласа, опублікувавши її в 1798 під назвою «Доказ теореми про те, що сила тяжіння важкого тіла може бути настільки великий, що світло не може випливати з нього».
На цьому історія дослідження чорних дірок призупинилася більш як на 100 років. Схоже, сам Лаплас тихо відмовився від такої екстравагантної гіпотези, оскільки він її виключив із решти прижиттєвих видань своєї книги, яка виходила в 1808, 1813 і 1824 роках. Можливо, Лаплас не хотів більше тиражувати майже фантастичну гіпотезу про колосальні зірки, які не випускають світла. Можливо, його зупинили нові астрономічні дані про незмінність величини аберації світла у різних зірок, що суперечило деяким висновкам його теорії, на підставі якої він будував свої обчислення. Але найбільш імовірною причиною того, що про загадкові гіпотетичні об'єкти Мічелла-Лапласа всі забули, є торжество хвильової теорії світла, тріумфальна хода якої почалася з перших років ХІХ ст.
Початок цього тріумфу започаткувала Букерівська лекція англійського фізика Т. Юнга «Теорія світла і кольору», опублікована в 1801 р., де Юнг сміливо, всупереч Ньютону та іншим знаменитим прихильникам корпускулярної теорії (у тому числі і Лапласу), виклав суть хвильової теорії світла, кажучи, що світло, що випромінюється, складається з хвилеподібних рухів світлоносного ефіру. Лаплас, окрилений відкриттям поляризації світла, почав «рятувати» корпускули, побудувавши теорію подвійного променезаломлення світла в кристалах з урахуванням двоякого дії молекул кристала на світлові корпускули. Але подальші праці фізиків О.Ж. Френеля, Ф.Д. Арагон, Й. Фраунгофера та інших каменю на камені не залишили від корпускулярної теорії, яку серйозно згадали лише століття, після відкриття квантів. Всі міркування про чорні діри в рамках хвильової теорії світла на той час виглядали безглуздо.
Відразу не згадали про чорні діри і після «реабілітації» корпускулярної теорії світла, коли про неї заговорили на новому якісному рівні завдяки гіпотезі квантів (1900) та фотонів (1905). Чорні діри були вдруге перевідкриті лише після створення ОТО в 1916 р., коли німецький фізик-теоретик та астроном К. Шварцшильд через кілька місяців після публікації рівнянь Ейнштейна з їхньою допомогою досліджував структуру викривленого простору-часу на околиці Сонця. У результаті він знову відкрив феномен чорних дірок, але на більш глибокому рівні.
Остаточне теоретичне відкриття чорних дірок відбулося в 1939 р., коли Оппенгеймер і Снайдер провели перше явне рішення рівнянь Ейнштейна при описі процесу формування чорної діри з хмари пилу, що стискається. Сам термін «чорна діра» вперше був уведений у науку американським фізиком Дж. Віллером у 1968 р., у роки бурхливого відродження інтересу до ОТО, космології та астрофізики, викликаного досягненнями позаатмосферної (зокрема, рентгенівської) астрономії, відкриттям реліктового випромінювання, пульсарів квазарів.
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, у 1918 році про питання чорних дірок у контексті писав великий учений Альберт Ейнштейн. 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 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, як правило, перетворюються найбільші зірки, що володіють неймовірно значними розмірами – за рахунок стискання цих найнеймовірніших розмірів відбувається багаторазове збільшення маси та 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 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 вже можна спостерігати. Таким чином, теорія чорної дірки 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 опиниться 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, виокремлюють. 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 чорна діра вагою 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
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/запитання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected]або у Фейсбук, з повагою автор.
Чорні дірки, темна матерія, темна речовина… Це, безперечно, найдивніші та загадкові об'єкти у космосі. Їхні химерні властивості можуть кинути виклик законам фізики Всесвіту і навіть природі існуючої дійсності. Щоб зрозуміти, що таке чорні дірки, вчені пропонують “змінити орієнтири”, навчитися думати нестандартно й застосувати трохи фантазії. Чорні дірки утворюються з ядер супер масивних зірок, які можна охарактеризувати як область простору, де величезна маса зосереджена в порожнечі, і нічого навіть світло не може там уникнути гравітаційного тяжіння. Це та область, де друга космічна швидкість перевищує швидкість світла: І чим масивніший об'єкт руху, тим швидше він повинен рухатися для того, щоб позбавитися сили своєї тяжкості. Це відомо як друга космічна швидкість.
Енциклопедія Кольєра називає чорними дірками область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її залишити. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; фізичні процеси, що відбуваються всередині чорної діри, не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина та випромінювання вільно падає крізь неї у чорну дірку, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій".
Історія відкриття
Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном в 1915) та іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р. Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. Але властивості простору і часу в околиці що астрономи та фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Проте астрономічні відкриття у середині 1960-х років змусили глянути на чорні дірки як на можливу фізичну реальність. Нові відкриття та вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір та час, проливаючи світло на мільярди космічних таємниць.
Освіта чорних дірок
Поки що у надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під впливом власної гравітації. Однак згодом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що й маса зірки вбирається у трьох мас Сонця, вона виграє “битву з гравітацією”: її гравітаційний колапс буде зупинено тиском “виродженого” речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик чи нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під обрій подій, ставши чорною діркою.
Чорна діра - дірка від бублика?
Те, що не випромінює світло, помітити непросто. Одним із способів пошуку чорної діри є пошук областей у відкритому космосі, які мають велику масу і знаходяться в темному просторі. При пошуку подібних типів об'єктів астрономи виявили їх у двох основних областях: у центрах галактик та у подвійних зіркових системах нашої Галактики. Загалом, як припускають вчені, існує десятки мільйонів таких об'єктів.
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
1783 р.Перша гіпотеза існування такого явища, як чорна діра, була висунута в 1783 англійським ученим Джоном Мічеллом. У своїй теорії він об'єднав два витвори Ньютона — оптику та механіку. Ідея Мічелла була такою: якщо світло — це потік найдрібніших частинок, то, як і всі інші тіла, частки мають зазнавати тяжіння гравітаційного поля. Виходить, чим масивніша зірка, тим складніше світлу опиратися її тяжінню. Через 13 років після Мічелла французький астроном і математик Лаплас висунув (швидше за все, незалежно від британського колеги) схожу теорію.
1915 р.Однак, усі їхні праці залишалися незатребуваними аж до початку XX ст. 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 зім'яти, подібно до аркуша паперу, в нескінченно малу точку і позначив терміном "Чорна діра".
1974 р.Британський фізик Стівен Хокінг довів, що чорні дірки, хоч і поглинають метерію без повернення, можуть випромінювати і врешті-решт випаровуватися. Таке явище отримало назву "випромінювання Хокінга".
2013 р.Нові дослідження пульсарів і квазарів, а також 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 діркою, яка є надмасивним об'єктом і знаходиться в галактиці М87, сузір'я Діва. Маса об'єкта 6,5 млрд (!) сонячних мас, в гігантські рази більша 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 було розшифрувати та отримати справжній знімок наддалекого об'єкта. Тому знадобилося ще аж 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 дірки.
(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 феномена 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 її надрах високий тиск, все залишається у нормі. Але згодом запас енергії виснажується і небесне тіло, під впливом своєї гравітації, починає стискатися. Завершальний етап цього процесу - схлопування зіркового ядра та утворення чорної дірки.
- 1. Викидання чорної дірою струменя на високій швидкості
- 2. Диск матерії переростає у чорну дірку
- 3. Чорна діра
- 4. Детальна схема регіону чорної дірки
- 5. Розмір знайдених нових спостережень
Найпоширеніша теорія свідчить, що такі феномени є у кожній галактиці, зокрема й у центрі нашого Чумацького шляху. Величезна сила тяжіння дірки 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 Шварцшильда
Головна властивість чорної дірки — будь-яка речовина, яка до неї потрапила, ніколи не зможе повернутися. Те саме стосується і світла. За своєю суттю дірки - це тіла, які повністю поглинають все 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. Обрій 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 дірки 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 свічення може давати тертя у газі та пилу, що викликається дією чорної діри Стрільця А* і які обертаються навколо неї у вигляді акреційного диска. Таким чином, ми стаємо спостерігачами дивовижного явища поглинання надмасивною чорною діркою газової хмари.
За останніми дослідженнями найбільше зближення із чорною діркою 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 набувати все більш витягнутої форми.
- 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 випускатиме 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 дірки
Є теорія, яка стверджує, що чорна діра всередині практично порожня, а вся її маса зосереджена в неймовірно маленькій точці, що знаходиться в 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 ця 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, оскільки 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-під 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.
Наукове мислення часом конструює об'єкти з такими парадоксальними властивостями, що навіть найпроникливіші вчені спочатку відмовляють їм у визнанні. Найочевидніший приклад в історії новітньої фізики — багаторічна відсутність інтересу до чорних дірок, екстремальних станів гравітаційного поля, передбачених майже 90 років тому. Довгий час їх вважали суто теоретичною абстракцією, і лише в 1960-70-ті роки повірили в їхню реальність. Проте основне рівняння теорії чорних дірок було виведено понад двісті років тому.
Осяяння Джона Мічелла
Ім'я Джона Мічелла, фізика, астронома та геолога, професора Кембриджського університету та пастора англіканської церкви, зовсім незаслужено загубилося серед зірок англійської науки XVIII століття. Мічелл заклав основи сейсмології - науки про землетруси, виконав чудове дослідження магнетизму і задовго до Кулону винайшов крутильні ваги, які використовував для гравіметричних вимірів. У 1783 році він спробував об'єднати два великі твори Ньютона - механіку та оптику. Ньютон вважав світло потоком найдрібніших частинок. Мічелл припустив, що світлові корпускули, як і звичайна матерія, підкоряються законам механіки. Наслідок цієї гіпотези виявився досить нетривіальним — небесні тіла можуть перетворитися на пастки для світла.
Як міркував Мічелл? Гарматне ядро, вистрілене з поверхні планети, повністю подолає її тяжіння лише тоді, коли його початкова швидкість перевищить значення, зване тепер другою космічною швидкістю і швидкістю втікання. Якщо гравітація планети така сильна, що швидкість втікання перевищує швидкість світла, випущені в зеніт світлові корпускули не зможуть піти в нескінченність. Це ж станеться і з відбитим світлом. Отже, для дуже віддаленого спостерігача планета виявиться невидимою. Мічелл обчислив критичне значення радіусу такої планети R кр залежно від її маси М, наведеної до маси нашого Сонця M s: R кр = 3 км x M/M s .
Джон Мічелл вірив своїм формулам і припускав, що глибини космосу приховують безліч зірок, які з Землі не можна розглянути в жодному телескопі. Пізніше такого ж висновку дійшов великий французький математик, астроном і фізик П'єр Симон Лаплас, який включив його і до першого (1796), і до другого (1799) видання свого «Виклади системи світу». А ось третє видання побачило світ 1808 року, коли більшість фізиків вже вважало світло коливаннями ефіру. Існування «невидимих» зірок суперечило хвильовій теорії світла, і Лаплас вважав за краще про них просто не згадувати. У наступні часи цю ідею вважали курйозом, гідним викладу лише у працях з історії фізики.
Модель Шварцшільда
У листопаді 1915 Альберт Ейнштейн опублікував теорію гравітації, яку він назвав загальною теорією відносності (ОТО). Ця робота відразу ж знайшла вдячного читача в особі його колеги у Берлінській Академії наук Карла Шварцшильда. Саме Шварцшильд першим у світі застосував ОТО для вирішення конкретного астрофізичного завдання, розрахунку метрики простору-часу поза і всередині сферичного тіла, що не обертається (для конкретності називатимемо його зіркою).
З обчислень Шварцшильда випливає, що тяжіння зірки не надто спотворює ньютонівську структуру простору і часу лише в тому випадку, якщо її радіус набагато більший за ту саму величину, яку обчислив Джон Мічелл! Цей параметр спочатку називали радіусом Шварцшильда, а тепер називають гравітаційним радіусом. Згідно з ОТО, тяжіння не впливає на швидкість світла, але зменшує частоту світлових коливань у тій самій пропорції, в якій уповільнює час. Якщо радіус зірки вчетверо перевищує гравітаційний радіус, то потік часу її поверхні сповільнюється на 15%, а простір набуває відчутну кривизну. При дворазовому перевищенні воно викривляється сильніше, а час уповільнює свій біг на 41%. При досягненні гравітаційного радіусу час на поверхні зірки повністю зупиняється (всі частоти занулюються, випромінювання заморожується, і зірка гасне), проте кривизна простору там досі кінцева. Вдалині від світила геометрія, як і раніше, залишається евклідовою, та й час не змінює своєї швидкості.
Незважаючи на те, що значення гравітаційного радіусу у Мічелла і Шварцшильда збігаються, самі моделі не мають нічого спільного. У Мічелла простір і час не змінюються, а світло сповільнюється. Зірка, розміри якої менші за її гравітаційний радіус, продовжує світити, проте видно вона лише не надто віддаленому спостерігачеві. У Шварцшильда швидкість світла абсолютна, але структура простору і часу залежить від тяжіння. Зірка, що провалилася під гравітаційний радіус, зникає для будь-якого спостерігача, де б він не знаходився (точніше, її можна виявити за гравітаційними ефектами, але аж ніяк не з випромінювання).
Від невіри до затвердження
Шварцшильд та її сучасники вважали, що такі дивні космічні об'єкти у природі немає. Сам Ейнштейн не тільки дотримувався цієї точки зору, але й помилково вважав, що йому вдалося довести свою думку математично.
У 1930-і роки молодий індійський астрофізик Чандрасекар довів, що зірка, що витратила ядерне паливо, скидає оболонку і перетворюється на повільно остигаючий білий карлик лише в тому випадку, якщо її маса менше 1,4 мас Сонця. Незабаром американець Фріц Цвіккі здогадався, що під час вибухів наднових виникають надзвичайно щільні тіла з нейтронної матерії; Пізніше цього ж висновку дійшов і Лев Ландау. Після робіт Чандрасекара було очевидно, що подібну еволюцію можуть зазнати лише зірки з масою понад 1,4 маси Сонця. Тому постало природне питання — чи існує верхня межа маси для наднових, які залишають по собі нейтронні зірки?
Наприкінці 30-х років майбутній батько американської атомної бомби Роберт Оппенгеймер встановив, що така межа дійсно є і не перевищує кількох сонячних мас. Дати більш точну оцінку тоді було можливості; Тепер відомо, що маси нейтронних зірок повинні бути в інтервалі 1,5-3 M s . Але навіть із приблизних обчислень Оппенгеймера та його аспіранта Джорджа Волкова випливало, що найпотужніші нащадки наднових не стають нейтронними зірками, а переходять у якийсь інший стан. У 1939 році Оппенгеймер і Хартланд Снайдер на ідеалізованій моделі довели, що масивна зірка, що колапсує, стягується до свого гравітаційного радіусу. З їх формул фактично випливає, що зірка на цьому не зупиняється, проте співавтори утрималися від такого радикального висновку.
Остаточну відповідь було знайдено у другій половині XX століття зусиллями цілої плеяди блискучих фізиків-теоретиків, у тому числі й радянських. Виявилося, що подібний колапс завждистискає зірку «до упору», повністю руйнуючи її речовину. В результаті виникає сингулярність, "суперконцентрат" гравітаційного поля, замкнутий у нескінченно малому обсязі. У нерухомої дірки це точка, у обертової кільце. Кривизна простору-часу і, отже, сила тяжіння поблизу сингулярності прагнуть нескінченності. Наприкінці 1967 року американський фізик Джон Арчібальд Вілер першим назвав такий фінал зіркового колапсу чорною діркою. Новий термін сподобався фізикам і захопив журналістів, які рознесли його по всьому світу (хоча французам він спочатку не сподобався, оскільки вираз trou noir наводив на сумнівні асоціації).
Там, за обрієм
Чорна діра – це не речовина і не випромінювання. З деякою часткою образності можна сказати, що це гравітаційне поле, що самопідтримується, сконцентроване в сильно викривленій області простору-часу. Її зовнішня межа визначається замкнутою поверхнею, горизонтом подій. Якщо зірка перед колапсом не оберталася, ця поверхня виявляється правильною сферою, радіус якої збігається із радіусом Шварцшильда.
Фізичний сенс обрію дуже наочний. Світловий сигнал, надісланий з його зовнішнього околиці, може піти на нескінченно далеку дистанцію. А ось сигнали, відправлені з внутрішньої області, не тільки не перетнуть горизонту, а й неминуче «проваляться» у сингулярність. Горизонт - це просторовий кордон між подіями, які можуть стати відомі земним (і будь-яким іншим) астрономам, і подіями, інформація про які ні за якого розкладу не вийде назовні.
Як і належить «по Шварцшильду», далеко від горизонту тяжіння діри обернено пропорційно квадрату відстані, тому для віддаленого спостерігача вона проявляє себе як звичайне важке тіло. Крім маси, дірка успадковує момент інерції зірки, що колапсувала, і її електричний заряд. А всі інші характеристики зірки-попередниці (структура, склад, спектральний клас тощо) йдуть у небуття.
Відправимо до діри зонд з радіостанцією, що подає сигнал раз на секунду за бортовим часом. Для віддаленого спостерігача з наближенням зонда до горизонту інтервали часу між сигналами збільшуватимуться — в принципі, необмежено. Як тільки корабель перетне невидимий обрій, він повністю замовкне для наддирного світу. Однак це зникнення не виявиться безслідним, оскільки зонд віддасть дірці свою масу, заряд і крутний момент.
Чорнодирне випромінювання
Усі попередні моделі були збудовані виключно на основі ОТО. Однак наш світ керується законами квантової механіки, які не оминають і чорні дірки. Ці закони не дозволяють вважати центральну сингулярність математичною точкою. У квантовому контексті її діаметр задається довжиною Планка-Уїлера, приблизно рівною 10 -33 сантиметри. У цій галузі звичайний простір перестає існувати. Прийнято вважати, що центр діри нафарширований різноманітними топологічними структурами, які з'являються та гинуть відповідно до квантових ймовірнісних закономірностей. Властивості подібного бульбашкового квазіпростору, яке Уілер назвав квантовою піною, ще мало вивчені.
Наявність квантової сингулярності має пряме відношення до долі матеріальних тіл, що падають у глибину чорної діри. При наближенні до центру діри будь-який об'єкт, виготовлений із нині відомих матеріалів, буде роздавлений та розірваний приливними силами. Однак навіть якщо майбутні інженери та технологи створять якісь надміцні сплави та композити з небаченими нині властивостями, всі вони однаково приречені на зникнення: адже в зоні сингулярності немає ні звичного часу, ні звичного простору.
Тепер розглянемо в квантовомеханічну лупу горизонт дірки. Порожній простір — фізичний вакуум — насправді не порожній. Через квантові флуктуації різних полів у вакуумі безперервно народжується і гине безліч віртуальних частинок. Оскільки тяжіння біля обрію дуже велике, його флуктуації створюють надзвичайно сильні гравітаційні сплески. При розгоні в таких полях новонароджені «віртуали» набувають додаткової енергії і часом стають нормальними довгоживучими частинками.
Віртуальні частки завжди народжуються парами, які рухаються у протилежних напрямках (цього вимагає закон збереження імпульсу). Якщо гравітаційна флуктуація витягне з вакууму пару частинок, може статися так, що одна з них матеріалізується зовні горизонту, а друга (античастка першої) - усередині. "Внутрішня" частка провалиться в дірку, а от "зовнішня" за сприятливих умов може піти. В результаті діра перетворюється на джерело випромінювання і тому втрачає енергію і, отже, масу. Тому чорні дірки, в принципі, не стабільні.
Цей феномен називається ефектом Хокінга на честь чудового англійського фізика-теоретика, який його відкрив у середині 1970-х років. Стівен Хокінг, зокрема, довів, що горизонт чорної діри випромінює фотони так само, як і абсолютно чорне тіло, нагріте до температури T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Звідси випливає, що з схуднення дірки її температура зростає, а «випаровування», природно, посилюється. Цей процес є надзвичайно повільним, і час життя діри маси M становить близько 10 65 x (M/M s) 3 років. Коли її розмір стає рівним довжині Планка-Уїлера, дірка втрачає стабільність і вибухає, виділяючи ту ж енергію, що й одночасний вибух мільйона десятимегатонних водневих бомб. Цікаво, що маса дірки в момент її зникнення все ще досить велика, 22 мікрограми. Згідно з деякими моделями, дірка не зникає безвісти, а залишає після себе стабільний релікт такої ж маси, так званий максимон.
Максимоннародився 40 років тому як термін і як фізична ідея. У 1965 року академік М. А. Марков припустив, що є верхня межа маси елементарних частинок. Він запропонував вважати цим граничним значенням величину розмірності маси, яку можна скомбінувати з трьох фундаментальних фізичних констант — постійної Планка h, швидкості світла C та гравітаційної постійної G (для любителів подробиць: для цього треба перемножити h та C, розділити результат на G та витягти квадратний корінь). Це ті самі 22 мікрограми, про які йдеться у статті, цю величину називають планківською масою. З тих же констант можна сконструювати величину з розмірністю довжини (вийде довжина Планка-Уїлера, 10 -33 см) та з розмірністю часу (10 -43 сек).
Марков пішов у своїх міркуваннях і далі. Згідно з його гіпотезою, випаровування чорної діри призводить до утворення «сухого залишку» — максимону. Марков назвав такі структури елементарними чорними дірками. Наскільки ця теорія відповідає реальності, поки що питання є відкритим. Принаймні аналоги марківських максимонів відроджені в деяких моделях чорних дірок, виконаних на базі теорії суперструн.
Глибина космосу
Чорні дірки не заборонені законами фізики, але чи існують вони у природі? Цілком суворі докази наявності в космосі хоч одного подібного об'єкта поки що не знайдено. Проте цілком можливо, що у деяких подвійних системах джерелами рентгенівського випромінювання є чорні діри зоряного походження. Це випромінювання має виникати внаслідок відсмоктування атмосфери звичайної зірки гравітаційним полем дірки-сусідки. Газ під час руху до горизонту подій сильно нагрівається та випускає рентгенівські кванти. Не менше двох десятків рентгенівських джерел зараз вважаються підходящими кандидатами на роль чорних дірок. Більше того, дані зоряної статистики дозволяють припустити, що лише в нашій Галактиці існує близько десяти мільйонів дірок зіркового походження.
Чорні дірки можуть формуватися й у процесі гравітаційного згущення речовини у галактичних ядрах. Так виникають велетенські дірки з масою в мільйони і мільярди сонячних, які, ймовірно, є в багатьох галактиках. Судячи з усього, в закритому хмарами пилу центрі Чумацького Шляху ховається дірка з масою 3-4 мільйони мас Сонця.
Стівен Хокінг дійшов висновку, що чорні дірки довільної маси могли народжуватися і відразу після Великого Вибуху, який дав початок нашому Всесвіту. Первинні дірки масою до мільярда тонн вже випарувалися, але важчі можуть і зараз ховатися в глибинах космосу і в свій термін влаштовувати космічний феєрверк у вигляді потужних спалахів гамма-випромінювання. Проте досі таких вибухів жодного разу не спостерігалося.
Фабрика чорних дірок
А чи не можна розігнати частинки в прискорювачі до такої високої енергії, щоб їхнє зіткнення породило чорну дірку? На перший погляд, ця ідея просто божевільна — вибух дірки знищить живе на Землі. До того ж вона технічно неможлива. Якщо мінімальна маса діри дійсно дорівнює 22 мікрограм, то в енергетичних одиницях це 10 28 електронвольт. Цей поріг на 15 порядків перевищує можливості найпотужнішого у світі прискорювача, Великого адронного колайдера (БАК), який буде запущений у ЦЕРНі у 2007 році.
Однак не виключено, що стандартну оцінку мінімальної маси дірки значно завищено. У всякому разі, так стверджують фізики, які розробляють теорію суперструн, яка включає і квантову теорію гравітації (щоправда, далеко не завершену). Згідно з цією теорією, простір має не три виміри, а не менше дев'яти. Ми не помічаємо додаткових вимірів, оскільки вони закольцовані в таких малих масштабах, що наші прилади їх не сприймають. Однак гравітація всюдисуща, вона проникає і в приховані виміри. У тривимірному просторі сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані, а в дев'ятивимірному — восьмому ступені. Тому в багатовимірному світі напруженість гравітаційного поля при зменшенні дистанції зростає набагато швидше, ніж тривимірному. В цьому випадку планківська довжина багаторазово збільшується, а мінімальна маса дірки різко падає.
Теорія струн передбачає, що в дев'ятивимірному просторі може народитися чорна діра з масою всього лише в 10 -20 г. Приблизно така ж і розрахункова маса релятивістів протонів, розігнаних в церновському суперприскорювачі. Згідно з найбільш оптимістичним сценарієм, він зможе щомиті виробляти по одній дірці, яка проживе близько 10 -26 секунд. У процесі її випаровування будуть народжуватися різні елементарні частинки, які нескладно зареєструвати. Зникнення дірки призведе до виділення енергії, якої не вистачить навіть для того, щоб нагріти одним мікрограмом води на тисячну градуси. Тому є надія, що ВАК перетвориться на фабрику нешкідливих чорних дірок. Якщо ці моделі вірні, такі діри зможуть реєструвати і орбітальні детектори космічних променів нового покоління.
Все вищеописане відноситься до нерухомих чорних дірок. Тим часом, існують і діри, що обертаються, володіють букетом найцікавіших властивостей. Результати теоретичного аналізу чорнодирного випромінювання призвели також до серйозного переосмислення поняття ентропії, яке також заслуговує на окрему розмову. Про це у наступному номері.