Чи є у космосі чорна дірка. Теорія, не доведена практикою



ЧОРНА ДІРА
область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсуречовини, 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; що відбуваються всередині чорної діри фізичні процесине 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". Оскільки досі є лише непрямі вказівки на існування чорних дірок на відстанях у тисячі світлових років від Землі, наш виклад грунтується головним чином на теоретичних результатах. 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. Їх відкриття та вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір та час.
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 якщо маса зірки не перевищує трьох мас Сонця, то вона виграє "битву з гравітацією": її гравітаційний колапс буде зупинений тиском "виродженої" речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карликчи 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.

У сферичної чорної діри маси M горизонт подій утворює сферу з колом по екватору в 2p разів більшої за "гравітаційний радіус" чорної діри RG = 2GM/c2, де c - швидкість світла, а G - постійна тяжіння. Чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км. Якщо астроном спостерігатиме зірку в момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку він побачить, як зірка все швидше і швидше стискається, але в міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиск почне сповільнюватися, доки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, буде слабшати і червоніти, поки не згасне зовсім. Це відбувається тому, що в боротьбі з гігантською силою тяжіння світло втрачає енергію і йому потрібно все більше часу, щоб досягти спостерігача. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіусу, світлу, що залишив її, знадобиться нескінченний час, щоб досягти спостерігача (і при цьому фотони повністю втратить свою енергію). Отже, астроном ніколи не дочекається цього моменту і, тим більше, не побачить того, що відбувається з зіркою під горизонтом подій. Але теоретично цей процес можна дослідити. Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що закороткий час зірка стискається в точку, де досягаються нескінченновеликі значення щільності та тяжіння. Таку точку називають "сингулярністю". Більш того, загальнийматематичний аналіз показує, що й виник обрій подій, навіть несферичний колапс призводить до сингулярності. Однак усе це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовується аж до дуже маленьких просторових масштабів, у чому ми поки що не впевнені. У мікросвіті діютьквантові закони , аквантова теорія гравітації поки що не створено. Зрозуміло, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а от запобігти появі сингулярності вони могли б.Сучасна теорія зіркової еволюції та наші знання про зіркове населення Галактики вказують, що серед 100 млрд. її зірок має бути близько 100 млн. чорних дірок, що утворилися при колапсі найпотужніших зірок. До того ж чорні дірки дужеможуть бути у ядрах великих галактик, зокрема і нашої. Як уже зазначалося, в нашу епоху чорною діркою може стати лише маса, яка більш ніж утричі перевищує сонячну. Однак одразу після Великого вибуху, З якого бл. 15 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, могли народжуватися чорні дірки будь-якої маси. Найменші з них через квантові ефекти повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. Але "первинні чорні дірки" з масою понад 1015 г могли зберегтися до наших днів. Усі розрахунки колапсу зірок робляться у припущенні слабкого відхилення від сферичної симетрії і показують, що обрій подій формується завжди. Однак при сильному відхиленні від сферичної симетрії колапс зірки може призвести до утворення області з нескінченно сильною гравітацієюале не оточеної горизонтом подій; її називають "голою сингулярністю". Це вже не чорна дірка у тому сенсі, як ми обговорювали вище. Фізичні закони поблизу голої сингулярності можуть мати несподіваний вигляд. В даний час гола сингулярність розглядається як малоймовірний об'єкт, тоді як у існування чорних дірок вірить більшість астрофізиків.
Властивості чорних дірок.Для стороннього спостерігача структура чорної діри виглядає надзвичайно простою. У процесі колапсу зірки у чорну дірку за малу частку секунди (по годинниках віддаленого спостерігача) усі її зовнішні особливості, пов'язані з неоднорідністю вихідної зірки, випромінюються у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Стаціонарна чорна діра, що утворилася, "забуває" всю інформацію про вихідну зірку, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду. Вивчаючи чорну дірку, вже неможливо дізнатися, чи складалася вихідна зірка з речовини чи антиречовини, чи мала вона форму сигари чи млинця тощо. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра притягуватиме до себе з міжзоряного середовищачастинки протилежного знакаі її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився, або буде не обертається "шварцшильдовою чорною дірою", яка характеризується тільки масою, або "керрівською чорною дірою", що обертається, яка характеризується масою і моментом імпульсу. Єдиність зазначених вище типів стаціонарних чорних дірок була доведена у межах загальної теоріївідносності В. Ізраелем, Б. Картером, С. Хокінгом та Д. Робінсоном. Відповідно до загальної теорії відносності, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дірок. Коли фізики говорять про інтервали часу та простору, вони мають на увазі числа, лічені з будь-яких фізичних годин та лінійок. Наприклад, роль годинника може грати молекула з певною частотоюколивань, кількість яких між двома подіями можна назвати "інтервалом часу". Чудово, що гравітація діє на все фізичні системиоднаково: весь годинник показує, що час сповільнюється, а всі лінійки - що простір розтягується поблизу чорної дірки. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору та часу. Вдалині від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Вдалині від чорної діри її поле тяжіння точно описується теорією Ньютона для тіла такої ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж передбачає ньютонова теорія. Будь-яке тіло, що падає на чорну дірку, задовго до перетину горизонту подій буде розірвано на частини потужними приливними. гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру. Чорна діра завжди готова поглинути речовину чи випромінювання, збільшивши цим свою масу. Її взаємодія з навколишнім світом визначається простим принципом Хокінга: площа горизонту подій чорної дірки ніколи не зменшується, якщо не враховувати квантове народження частинок. Дж. Бекенстейн в 1973 припустив, що чорні дірки підкоряються тим же фізичним законам, що і фізичні тіла, що випромінюють та поглинають випромінювання (модель "абсолютно чорного тіла"). Під впливом цієї ідеї Хокінг в 1974 році показав, що чорні дірки можуть випускати речовину і випромінювання, але помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої чорної дірки відносно невелика. Такі чорні дірки могли народжуватися одразу після Великого вибуху, з якого розпочалося розширення Всесвіту. Маси цих первинних чорних дірок мають бути не більше 1015 г (як у невеликого астероїду), а розмір 10-15 м (як у протона чи нейтрона). Могутнє гравітаційне поле поблизу чорної діри народжує пари частка-античастка; одна з частинок кожної пари поглинається діркою, а друга випромінюється назовні. Чорна діра з масою 1015 г повинна поводитися як тіло з температурою 1011 К. Ідея про "випаровування" чорних дірок повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, які не здатні випромінювати.
Пошук чорних дірок.Розрахунки в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна вказують лише на можливість існування чорних дірок, але аж ніяк не доводять їх наявності у реальному світі; відкриття справжньої чорної дірки стало б важливим крокому розвитку фізики. Пошук ізольованих чорних дірок у космосі безнадійно важкий: ми не зможемо помітити маленький темний об'єкт на фоні космічної чорноти. Але є надія виявити чорну дірку щодо її взаємодії з оточуючими астрономічними тілами, щодо її характерного впливу на них. Надмасивні чорні дірки можуть бути в центрах галактик, безперервно пожираючи там зірки. Зосередившись навколо чорної дірки, зірки повинні утворити центральні піки яскравості в ядрах галактик; їх пошуки зараз активно ведуться. Інший метод пошуку полягає у вимірі швидкості руху зірок та газу навколо центрального об'єкта в галактиці. Якщо відома їхня відстань від центрального об'єкта, то можна обчислити його масу та середню щільність. Якщо вона значно перевищує щільність, можливу для зоряних скупчень, то вважають, що це темна діра. Цим способом у 1996 році Дж.Моран з колегами визначили, що в центрі галактики NGC 4258, ймовірно, знаходиться чорна діра з масою 40 млн. сонячних. Найбільш перспективним є пошук чорної діри в подвійних системахде вона в парі з нормальною зіркою може звертатися навколо загального центрумас. За періодичним доплерівським зміщенням ліній у спектрі зірки можна зрозуміти, що вона звертається в парі з якимось тілом і навіть оцінити масу останнього. Якщо ця маса перевищує 3 маси Сонця, а помітити випромінювання самого тіла не вдається, то, можливо, це чорна діра. У компактній подвійній системі чорна діра може захоплювати газ із поверхні нормальної зірки. Рухаючись орбітою навколо чорної діри, цей газ утворює диск і, наближаючись по спіралі до чорної дірки, сильно нагрівається і стає джерелом потужного рентгенівського випромінювання. Швидкі флуктуації цього випромінювання повинні вказувати, що газ стрімко рухається орбітою невеликого радіусу навколо крихітного. масивного об'єкту. З 1970-х років виявлено кілька рентгенівських джерел у подвійних системах із явними ознаками присутності чорних дірок. Найперспективнішою вважається рентгенівська подвійна V 404 Лебедя, маса невидимого компонента якої оцінюється не менше ніж у 6 мас Сонця. Інші чудові кандидати в чорні діри знаходяться в подвійних рентгенівських системах Лебідь X-1, LMCX-3, V 616 Єдинорога, QZ Лисички, а також в рентгенівських нових Змієносець 1977, Муха 1981 і Скорпіон 1994. За винятком LMCX Магелланові Хмари, всі вони знаходяться в нашій Галактиці на відстанях близько 8000 св. років від Землі.
Див. також
КОСМОЛОГІЯ;
ТЯГАННЯ ;
ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС;
ВІДНОСНІСТЬ;
Позаатмосферна астрономія.
ЛІТЕРАТУРА
Черепащук О.М. Маси чорних дірок у подвійних системах. Успіхи фізичних наук, Т. 166, с. 809, 1996

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Синоніми:

Дивитися що таке "ЧОРНА ДІРА" в інших словниках:

ЧОРНА ДІРА, локалізована ділянка космічного простору, З якого не може вирватися ні речовина, ні випромінювання, іншими словами, перша космічна швидкість перевищує швидкість світла. Кордон цієї ділянки називається горизонтом подій. Науково-технічний енциклопедичний словник

Косміч. об'єкт, що виникає в результаті стиснення тіла гравітації. силами до розмірів, менших за його гравітаційний радіус rg=2g/c2 (де М маса тіла, G гравітац. постійна, з чисельним значенням швидкості світла). Пророцтво про існування в ... Фізична енциклопедія

Сущ., кіл у синонімів: 2 зірка (503) невідомість (11) Словник синонімів ASIS. В.М. Тришин. 2013 … Словник синонімів

Чорні дірки – це одні з наймогутніших та найзагадковіших об'єктів у Всесвіті. Вони формуються після руйнування зірки.

Nasa склали ряд разючих знімків передбачуваних чорних дірок у просторах космосу.

Перед вами фото найближчої галактики Центавр А зроблений Chandra X-Ray Observatory. Тут показано вплив надмасивної чорної дірки у межах галактики.

Нещодавно Nasa було оголошено, що в сусідній галактиці з зірки, що вибухнула, зароджується чорна діра. За повідомленням Discovery News, ця діра розташовується в галактиці M-100, що знаходиться на відстані 50 мільйонів років від Землі.

Ось ще один дуже цікавий фотознімок від Chandra Observatory, що показує галактику M82. Nasa вважає, що зображене може бути відправними точками для двох надмасивних чорних дірок. Дослідники припускають, що освіта чорних дірок розпочнеться, коли зірки вичерпають свої ресурси та згорять. Вони будуть розчавлені власною гравітаційною вагою.

Вчені пов'язують існування чорних дірок із теорією відносності Ейнштейна. Фахівці використовують Ейнштейнівське розуміння гравітації визначення великої сили тяжіння чорної дірки. На поданій фотографії інформація від Chandra X-Ray Observatory збігається зі знімками, отриманими з космічного телескопа Hubble. Nasa вважає, що ці дві чорні діри рухаються спіраллю назустріч один одному протягом 30 років, а згодом вони можуть стати однією великою чорною діркою.

Це найпотужніша чорна діра у космічній галактиці M87. Субатомні частинки, що рухаються практично зі швидкістю світла, вказують на те, що в центрі цієї галактики знаходиться надмасивна чорна діра. Вважають, що вона «поглинула» матерію, що дорівнює 2-м мільйонам наших сонців.

Nasa вважає, що на цьому знімку засвідчено те, як дві надмасивні чорні дірки, зіткнувшись між собою, формують систему. Або це так званий «ефект рогатки», внаслідок чого система формується з 3-х чорних дірок. Коли зірки супернові, вони мають здатність руйнуватися і знову виникати, внаслідок чого формуються чорні дірки.

Ця художня візуалізація показує чорну дірку, що витягує газ від сусідньої зірки. Чорна діра має такий колір, оскільки її гравітаційне поле настільки щільне, що воно поглинає світло. Чорні дірки невидимі, тому вчені лише припускають їхню наявність. Їх величина може бути рівною розміру всього 1 атома або мільярда сонців.

На цій художній візуалізації показаний квазар, який є надмасивною чорною діркою, оточеною частинками, що обертаються. Цей квазар розташований у центрі галактики. Квазари знаходяться на ранній стадіїзародження чорної дірки, проте, вони можуть існувати мільярди років. Все-таки вважається, що вони були сформовані в давні часи Всесвіту. Припускають, що це «нові» квазари просто були приховані від нашого погляду.

Телескопи Spitzer і Hubble зафіксували несправжні кольорові струмені частинок, що вистрілюють із гігантської потужної чорної діри. Вважають, що ці струмені простягаються крізь 100 000 світлових років простору, такого ж великого, як Чумацький шляхнашої галактики. Різні кольориз'являються від різних світлових хвиль. У нашій галактиці є потужна чорна діра Sagittarius A. Nasa вважає, що її маса дорівнює 4 мільйони наших сонців.

На цьому зображенні представлений мікроквазар, який вважається зменшеною чорною дірою з такою ж масою, як і зірка. Якби ви потрапили в чорну дірку, ви перетнули б тимчасовий горизонт на її кордоні. Навіть якщо вас не розчавить сила тяжкості, назад із чорної дірки вам уже не повернутись. Вас неможливо буде побачити у темному просторі. Кожен мандрівник у чорну дірку буде розірвано внаслідок дії сили гравітації.

Дякую, що розповіли про нас друзям!

Чорні дірки завжди були одним з найцікавіших об'єктівспостережень вчених. Будучи найбільшими об'єктами, що у Всесвіті, вони водночас недосяжні і недоступними людству повною мірою. Мине щечимало часу, допоки ми дізнаємося про ті процеси, що відбуваються поблизу «точки неповернення». Що таке чорна дірка з погляду науки?

Давайте поговоримо про ті факти, які все ж таки стали відомі дослідникам в результаті тривалих робіт.

1. Чорні дірки насправді не чорні

Так як чорні діри випромінюють електромагнітні хвилі, то вони можуть бути не чорними, а навіть навпаки цілком різнокольоровими. І виглядає це дуже вражаюче.

2. Чорні дірки не втягують матерію

Серед простих смертних склався стереотип, що чорна діра — величезний пилосос, який тягне навколишній простір. Не будемо чайниками і спробуємо розібратися, що це насправді.

В цілому, (не вдаючись у складності квантової фізикиі астрономічних досліджень) чорну дірку можна представити як космічний об'єкт, у якого сильно завищено гравітаційне поле. Наприклад, якби на місці Сонця була чорна дірка такого ж розміру, то... нічого не сталося б, і наша планета продовжила б обертатися по тій самій орбіті. «Поглинають» чорні дірки лише частини матерії зірок у вигляді зоряного вітру, властивого будь-якій зірці.

3. Чорні дірки можуть породжувати нові всесвіти

Звичайно ж, цей факт звучить як щось із ряду фантастики, тим більше, що немає доказів існування інших всесвітів. Проте вченими досить щільно вивчаються подібні теорії.

Якщо казати простою мовою, то якби хоч одна фізична константа у світі змінилася на невелику величину, ми втратили можливість існування. Сингулярність чорних дірок скасовує звичні закони фізики і може (принаймні теоретично) породити новий всесвіт, що відрізняється за тими чи іншими параметрами від нашої.

4. Чорні дірки випаровуються з часом

Як було сказано раніше, чорні діри поглинають зірковий вітер. Крім цього, вони повільно, але правильно випаровуються, тобто віддають свою масу в навколишній простір, а потім і зникають зовсім. Це явище було відкрито в 1974 році і названо випромінюванням Хокінга на честь Стівена Хокінга, який і зробив це відкриття світу.

5. Відповідь на запитання «що таке чорна діра» була передбачена Карлом Шварцшильдом

Як відомо, автор теорії відносності, пов'язаної з Альберт Ейнштейн. Але вчений не приділяв належної уваги вивченню небесних тіл, хоча його теорія могла і навіть передбачила існування чорних дірок. Таким чином Карл Шварцшильд став першим ученим, який застосував загальну теорію відносності для обґрунтування існування «точки неповернення».

Цікавим є той факт, що це сталося 1915 року, відразу після того, як Ейнштейн опублікував загальну теорію відносності. Саме тоді виник термін «радіус Шварцшильда» — грубо кажучи, це величина сили, з якою необхідно стиснути об'єкт, щоб він перетворився на чорну дірку. Однак, це завдання не з легких. Давайте розберемося чому.

Справа в тому, що в теорії чорною дірою може стати будь-яке тіло, але при дії на нього певною мірою стиснення. Наприклад, плід арахісу міг би стати чорною діркою, якби мав масу планети Земля…

Цікавий факт: Чорні дірки - єдині у своєму роді космічні тіла, що мають здатність притягувати силою гравітації світло.

6. Чорні дірки викривляють простір поруч із собою

Представимо весь простір всесвіту у вигляді вінілової платівки. Якщо її покласти розпечений предмет, вона змінить свою форму. Те саме відбувається і з чорними дірками. Їхня гранична маса притягує до себе все, в тому числі і промені світла, за рахунок чого простір навколо них викривляється.

7. Чорні дірки обмежують кількість зірок у Всесвіті

.... Адже, якщо зірки запалюють -

значить, це комусь потрібно?

В.В. Маяковський

Зазвичай повністю сформовані зірки є хмарою остиглих газів. Випромінювання чорних дірок не дає газовим хмарам остигати, а отже, запобігає появі зірок.

8. Чорні дірки є найдосконалішими енергетичними установками

Чорні дірки виробляють більше енергії, ніж Сонце та інші зірки. Причиною цього є матерія, що знаходиться навколо неї. Коли матерія долає обрій подій на великій швидкості, вона розігрівається на орбіті чорної діри до гранично високої температури. Це називають випромінюванням абсолютно чорного тіла.

Цікавий факт: У процесі ядерного синтезу енергією стають 0,7% матерії. Поблизу чорної дірки на енергію перетворюється 10% матерії!

9. Що буде якщо потрапити до чорної діри?

Чорні дірки "розтягують" тіла, що знаходяться поряд з ними. Внаслідок цього процесу предмети починають нагадувати спагетті (існує навіть спеціальний термін- "Спагеттифікація" =).

Хоча цей факт і може бути жартівливим, йому є своє пояснення. Це відбувається завдяки фізичний принципсили тяжіння. Візьмемо як приклад тіло людини. Перебуваючи на землі, наші ноги знаходяться до центру Землі ближче, ніж голова, тому вони сильніше притягуються. На поверхні чорної діри ноги притягуються до центру чорної діри набагато швидше, і тому верхня частинатулуба просто не встигає за ними. Підсумок: спагеттифікація!

10. Теоретично, будь-який об'єкт може стати чорною діркою

І навіть Сонце. Єдине, що не дозволяє сонцю перетворитися на абсолютно чорне тіло- Сила гравітації. У центрі чорної діри вона в рази сильніша, ніж у центрі Сонця. У даному випадкуЯкби наше світило було стиснуто до чотирьох кілометрів у діаметрі, то цілком могла б стати чорною діркою (за рахунок великої маси).

Але це теоретично. На практиці відомо, що чорні дірки з'являються лише в результаті колапсу надвеликих зірок, що перевищують Сонце масою в 25-30 разів.

11. Чорні дірки уповільнюють час поблизу себе

Основна теза цього факту — з наближенням до горизонту подій час сповільнюється. Це можна проілюструвати з допомогою «парадоксу близнюків», часто використовується при поясненні положень теорії відносності.

Основна ідея полягає в тому, що один із братів-близнюків відлітає в космос, а другий залишається на Землі. Повернувшись додому, близнюк виявляє, що брат постарів більше, ніж він, тому що при русі на швидкості, наближеній до швидкості світла, час починає йти повільніше.

Чорні дірки - єдині космічні тіла, здатні притягувати силою гравітації світло. Вони ж є найбільшими об'єктами Всесвіту. Ми навряд чи найближчим часом дізнаємося, що відбувається біля їхнього горизонту подій (відомого як «точка неповернення»). Це самі таємничі місцянашого світу, про які, незважаючи на десятиліття досліджень, досі відомо дуже мало. У цій статті зібрано 10 фактів, які можна назвати найбільш інтригуючими.

Чорні дірки не втягують у себе матерію

Багато хто представляє чорну дірку своєрідним «космічним пилососом», що втягує навколишній простір. Насправді, чорні дірки — це звичайні космічні об'єкти, що мають винятково сильне гравітаційне поле.

Якби на місці Сонця виникла чорна діра таких самих розмірів, Земля не була б втягнута всередину, вона оберталася б по тій самій орбіті, що й сьогодні. Розташовані поряд із чорними дірками зірки втрачають частину маси у вигляді зоряного вітру (це відбувається в процесі існування будь-якої зірки) і чорні дірки поглинають лише цю матерію.

Існування чорних дірок було передбачено Карлом Шварцшильдом

Карл Шварцшильд був першим, хто застосував загальну теорію відносності Ейнштейна, щоб обгрунтувати існування «точки неповернення». Сам Ейнштейн не замислювався про чорні діри, хоча його теорія дозволяє передбачити їхнє існування.

Шварцшильд зробив своє припущення в 1915 році, відразу після того, як Ейнштейн опублікував загальну теорію відносності. Тоді ж виник термін "радіус Шварцшильда" - це величина, яка показує, як сильно вам доведеться стиснути об'єкт, щоб він став чорною діркою.

Теоретично, чорною діркою може стати все, що завгодно, за достатнього стиску. Чим щільніший об'єкт, тим сильніше гравітаційне поле створює. Наприклад, Земля стала б чорною діркою, якби її масою мав об'єкт завбільшки з арахіс.

Чорні дірки можуть породжувати нові всесвіти

Думка про те, що чорні дірки можуть породжувати нові всесвіти, здається абсурдною (тим більше, що ми все ще не впевнені в існуванні інших всесвітів). Проте подібні теорії активно розробляються вченими.

Дуже спрощена версія однієї з цих теорій ось у чому. Наш світ має виключно сприятливі умови для появи в ньому життя. Якби якісь із фізичних константзмінилися хоча б трохи, нас не було б у цьому світі. Сингулярність чорних дірок скасовує звичайні законифізики і може (принаймні, в теорії) породити новий всесвіт, який буде відрізнятися від нашого.

Чорні дірки можуть перетворити вас (і все, що завгодно) у спагетті

Чорні дірки розтягують предмети, що знаходяться поруч із ними. Ці предмети починають нагадувати спагетті (є навіть спеціальний термін – «спагеттифікація»).

Це відбувається завдяки тому, як працює сила тяжіння. У теперішній моментваші ноги знаходяться до центру Землі ближче, ніж голова, тому вони сильніше притягуються. На поверхні чорної діри різниця в силі тяжіння починає працювати проти вас. Ноги притягуються до центру чорної дірки дедалі швидше, отже верхня половина тулуба не встигає по них. Результат: спагеттифікація!

Чорні дірки випаровуються з часом

Чорні дірки не лише поглинають зірковий вітер, а й випаровуються. Це явище було відкрито в 1974 році і було названо випромінюванням Хокінга (на ім'я Стівена Хокінга, який зробив відкриття).

Згодом чорна діра може віддати всю свою масу в навколишній простір разом із цим випромінюванням і зникнути.

Чорні дірки уповільнюють час поблизу себе

У міру наближення до обрії подій час уповільнюється. Щоб зрозуміти, чому це відбувається, потрібно звернутися до «парадоксу близнюків», уявного експерименту, що часто використовується для ілюстрації основних положень загальної теорії відносності Ейнштейна.

Один із братів-близнюків залишається на Землі, а другий летить у космічна подорож, рухаючись зі швидкістю світла. Близнюк, що повернувся на Землю, виявляє, що його брат постарів більше, ніж він, тому що при русі на швидкості, близькій до швидкості світла, час іде повільніше.

Наближаючись до горизонту подій чорної дірки, ви рухатиметеся з такою високою швидкістю, що час для вас уповільниться.

Чорні дірки є найдосконалішими енергетичними установками

Чорні дірки генерують енергію краще, ніж Сонце та інші зірки. Це з матерією, обертається навколо них. Подолаючи обрій подій на величезної швидкості, матерія на орбіті чорної дірки розігрівається до украй високих температур. Це називається випромінюванням абсолютно чорного тіла.

Для порівняння, при ядерному синтезіна енергію перетворюється 0,7% матерії. Поблизу чорної дірки енергією стають 10% матерії!

Чорні дірки викривляють простір поруч із собою

Простір можна уявити як розтягнуту гумову пластинку з намальованими на ній лініями. Якщо на платівку покласти якийсь об'єкт, вона змінить свою форму. Так само працюють і чорні дірки. Їхня екстремальна маса притягує до себе все, включаючи світло (промені якого, продовжуючи аналогію, можна було б назвати лініями на платівці).

Чорні дірки обмежують кількість зірок у Всесвіті

Зірки виникають із газових хмар. Для того, щоб почалося формування зірки, хмара має охолонути.

Випромінювання абсолютно чорних тіл заважає газовим хмарам остигати і запобігає появі зірок.

Теоретично, будь-який об'єкт може стати чорною діркою

Єдина відмінність нашого Сонця від чорної дірки – сила гравітації. У центрі чорної діри вона набагато сильніша, ніж у центрі зірки. Якби наше Сонце було стиснуто приблизно до п'яти кілометрів у діаметрі, воно могло б бути чорною діркою.

Теоретично, чорною діркою може стати все, що завгодно. На практиці ж ми знаємо, що чорні дірки виникають лише в результаті колапсу величезних зірок, що перевищують Сонце за масою у 20-30 разів.

С. ТРАНКІВСЬКИЙ

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

Утворення чорної дірки може відбуватися трьома шляхами.

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

Гравітаційне поле чорної діри вносить сильні спотворення геометрію простору.

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

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

Народження пари частка-античастка в лабораторії.

ЯК ВОНИ ВИНИКАЮТЬ

Світиться небесне тіло, Що володіє щільністю, рівної щільностіЗемлі, і діаметром, що у двісті п'ятдесят разів перевершує діаметр Сонця, через силу свого тяжіння не дасть своєму світлу досягти нас. Таким чином, можливо, що найбільші тіла, що світяться у Всесвіті, саме через свою величину залишаються невидимими.
П'єр Симон Лаплас.
Виклад системи світу. 1796 рік.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

І зрештою він мав рацію: у центрі зірки дійсно йде термоядерна реакція (інша справа, що так звана "стандартна" сонячна модель", заснована на уявленнях про термоядерний синтез, мабуть, виявилася невірною - див., наприклад, "Наука і життя" №№ 2, 3, 2000 р.). Але проте реакція в центрі зірки проходить, зірка світить, а випромінювання, яке при цьому виникає, утримує її в стабільному стані. Але ядерне "горюче" в зірці вигоряє. Необоротно стискатися. Розрахунки показують, що це відбувається, якщо маса зірки перевищує дві-три маси Сонця.

ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС

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

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

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

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

РОЗМІРИ ЧОРНИХ ДІР

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

Очевидно, саме такі чорні дірки перебувають у центрах галактик. У всякому разі, астрономи сьогодні налічують близько п'ятдесяти галактик, у центрі яких, судячи з непрямим ознакам(мова про них піде нижче), є чорні дірки масою близько мільярда (109) сонячної. У нашій Галактиці теж, певне, є своя чорна діра; її масу вдалося оцінити досить точно - 2,4. 10 6 ±10% маси Сонця.

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

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

Як побачити невидиме

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

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

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

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

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

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

ЧОРНА ДІРА МОЖЕ БУТИ І "БІЛИЙ"

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

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

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

Хокінг підрахував швидкості, з якими йдуть усі ці процеси, і дійшов висновку: ймовірність поглинання частинок з негативною енергією вища. Це означає, що чорна діра втрачає енергію та масу – випаровується. Крім того, вона випромінює як абсолютно чорне тіло з температурою T = 6 . 10 -8 Mз/ Mкельвінів, де Mс - маса Сонця (2 . 10 33 г), M- Маса чорної дірки. Ця нескладна залежність показує, що температура чорної дірки з масою, що у шість разів перевищує сонячну, дорівнює одній стомільйонній частці градуса. Зрозуміло, що таке холодне тіло практично нічого не випромінює, і всі наведені вище міркування залишаються в силі. Інша справа - міні-дірки. Легко побачити, що при масі 1014-1030 грамів вони виявляються нагрітими до десятків тисяч градусів і розжарені до білого! Слід, проте, відразу відзначити, що протиріч із властивостями чорних дірок тут немає: це випромінювання випромінюється шаром над сферою Шварцшильда, а чи не під нею.

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