Чи можуть червоточини вирішити проблему з чорними дірками?  Чорна діра в космосі: звідки вона виникає Чи є у чорних дір заряди

Наприкінці 1967 року і вперше вжито у публічній лекції «Наш Всесвіт: відоме та невідоме (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 грудня 1967 року. Раніше подібні астрофізичні об'єкти називали «зірки, що сколапсували» або «колапсари» (від англ. collapsed stars), а також «застиглі зірки» (англ. frozen stars).

Питання реальному існування чорних дірок відповідно до даним визначенням багато в чому пов'язані з тим, наскільки вірна теорія гравітації, з якої існування таких об'єктів випливає. У сучасній фізиці стандартною теорією гравітації, найкраще підтвердженої експериментально, є загальна теорія відносності (ОТО), хоча існування чорних дірок можливе і в рамках інших (не всіх) теоретичних моделей гравітації (див. Теорії гравітації). Тому спостережливі дані аналізуються й інтерпретуються, передусім, у її контексті, хоча, суворо кажучи, ця теорія перестав бути експериментально підтвердженої умов, відповідних області простору-часу у безпосередній близькості до чорної дірки. Тому твердження про безпосередні докази існування чорних дірок, у тому числі і в цій статті нижче, строго кажучи, слід розуміти в сенсі підтвердження існування об'єктів, таких щільних і масивних, а також які мають інші спостерігаються властивості, що їх можна інтерпретувати як чорні діри загальної теорії відносності.

Крім того, чорними дірками часто називають об'єкти, які не суворо відповідають даному вище визначенню, а лише наближаються за своїми властивостями до такої чорної діри ОТО, наприклад, зірки, що колапсують, на пізніх стадіях колапсу. У сучасній астрофізиці цій відмінності не надається великого значення, тому що спостережні прояви «зірки, що майже сколапсувала» («замороженої») і «справжньої» чорної діри практично однакові.

Історія уявлень про чорні діри

В історії уявлень про чорні діри виділяють три періоди:

• Початок першого періоду пов'язане з опублікованою в 1784 роботою Джона Мічелла, в якій був викладений розрахунок маси для недоступного спостереженню об'єкта.
• Другий період пов'язані з розвитком загальної теорії відносності, стаціонарне рішення рівнянь якої було отримано Карлом Шварцшильдом 1915 року.
• Публікація в 1975 році роботи Стівена Хокінга, в якій він запропонував ідею про випромінювання чорних дірок, починає третій період. Кордон між другим і третім періодами є досить умовним, оскільки не відразу стали зрозумілими всі наслідки відкриття Хокінга, вивчення яких триває досі.

«Чорна зірка» Мічелла

«Чорна діра» Мічелла

У ньютонівському полі тяжіння для частинок, що спочивають на нескінченності, з урахуванням закону збереження енергії:

,

.

Нехай гравітаційний радіус - відстань від маси, що тяжіє, на якому швидкість частинки стає рівною швидкості світла . Тоді.

Концепція масивного тіла, гравітаційне тяжіння якого настільки велике, що швидкість, необхідна подолання цього тяжіння (друга космічна швидкість), дорівнює чи перевищує швидкість світла , вперше було висловлено 1784 року Джоном Мічеллом у листі, що він надіслав Королівське суспільство . Лист містив розрахунок, з якого випливало, що для тіла з радіусом у 500 сонячних радіусів і з щільністю Сонця друга космічна швидкість на його поверхні дорівнюватиме швидкості світла . Таким чином, світло не зможе покинути це тіло, і воно буде невидимим. Мічелл припустив, що в космосі може існувати безліч таких недоступних спостережень об'єктів. У 1796 році Лаплас включив обговорення цієї ідеї у свою працю "Exposition du Systeme du Monde", проте в наступних виданнях цей розділ був опущений.

Після Лапласа до Шварцшильда

Протягом XIX століття ідея тіл, невидимих ​​внаслідок своєї масивності, не викликала великого інтересу вчених. Це було з тим, що у рамках класичної фізики швидкість світла немає фундаментального значення. Однак наприкінці XIX - початку XX століття було встановлено, що сформульовані Дж. Максвеллом закони електродинаміки, з одного боку, виконуються у всіх інерційних системах відліку, а з іншого боку, не мають інваріантності щодо перетворень Галілея. Це означало, що уявлення, що склалися у фізиці, про характер переходу від однієї інерційної системи відліку до іншої потребують значного коригування.

У ході подальшої розробки електродинаміки Г. Лоренцем було запропоновано нову систему перетворень просторово-часових координат (відомих сьогодні як перетворення Лоренца), щодо яких рівняння Максвелла залишалися інваріантними. Розвиваючи ідеї Лоренца, А. Пуанкаре припустив, що інші фізичні закони також інваріантні щодо цих перетворень.

Викривлення простору

(Псевдо)римановими називаються простори, які в малих масштабах поводяться «майже» як звичайні (псевдо)евклідові. Так, на невеликих ділянках сфери теорема Піфагора та інші факти геометрії Евкліда виконуються з дуже великою точністю. Свого часу ця обставина і дозволила побудувати геометрію евкліди на основі спостережень над поверхнею Землі (яка насправді не є плоскою, а близька до сферичної). Ця ж обставина зумовила і вибір саме псевдоріманових (а не будь-яких ще) просторів як основний об'єкт розгляду в ОТО: властивості невеликих ділянок простору-часу не повинні відрізнятися від відомих зі СТО.

Однак у великих масштабах риманові простори можуть сильно відрізнятися від евклідових. Однією з основних характеристик такої відмінності є поняття кривизни. Суть його полягає в наступному: евклідові простори мають властивість абсолютного паралелізму: вектор X" , що отримується в результаті паралельного перенесення вектора Xуздовж будь-якого замкнутого шляху, збігається з вихідним вектором X. Для ріманових просторів це не завжди так, що може бути легко показано на наступному прикладі. Припустимо, що спостерігач став на перетині екватора з нульовим меридіаном на схід і почав рухатися вздовж екватора. Дійшовши до точки з довготою 180°, він змінив напрямок руху і почав рухатися меридіаном на північ, не змінюючи напряму погляду (тобто тепер він дивиться вправо по ходу). Коли він таким чином перейде через північний полюс і повернеться до вихідної точки, то виявиться, що він стоїть обличчям на захід (а не на схід, як спочатку). Інакше висловлюючись, вектор, паралельно перенесений вздовж маршруту спостерігача, «прокрутився» щодо вихідного вектора. Характеристикою величини такого «прокручування» є кривизна.

Розв'язання рівнянь Ейнштейна для чорних дірок

Стаціонарні рішення для чорних дірок у рамках ОТО характеризуються трьома параметрами: масою ( M), моментом імпульсу ( L) та електричним зарядом ( Q), які складаються з відповідних характеристик тіл, що впали в неї, і випромінювання. Будь-яка чорна діра прагне відсутність зовнішніх впливів стати стаціонарною, що було доведено зусиллями багатьох фізиків-теоретиків, з яких особливо слід відзначити внесок нобелівського лауреата Субраманьяна Чандрасекара, перу якого належить фундаментальна для цього напряму монографія «Математична теорія чорних».

Розв'язання рівнянь Ейнштейна для чорних дірок з відповідними характеристиками:

Рішення для чорної діри, що обертається, надзвичайно складно. Цікаво, що найскладніший вид рішення був «вгаданий» Керром із «фізичних міркувань». Перший послідовний висновок рішення Керра був вперше виконаний С. Чандрасекар більш ніж на п'ятнадцять років пізніше. Вважається, що найбільше значення для астрофізики має рішення Керра, тому що заряджені чорні дірки повинні швидко втрачати заряд, притягуючи та поглинаючи протилежно заряджені іони та пил із космічного простору. Існує також теорія, що пов'язує гамма-сплески з процесом вибухової нейтралізації заряджених чорних дірок шляхом народження з вакууму електрон-позитронних пар і падіння однієї з частинок на дірку з відходом другої на нескінченність (Р. Руффіні зі співробітниками).

Рішення Шварцшильда

Об'єкти, розмір яких найбільш близький до свого радіусу Шварцшильда, але які ще не є чорними дірками - це нейтронні зірки.

Можна запровадити поняття «середньої щільності» чорної дірки, поділивши її масу на обсяг, укладений під обрієм подій:

Середня щільність падає із зростанням маси чорної дірки. Так, якщо чорна діра з масою порядку сонячної має щільність, що перевищує ядерну щільність, то надмасивна чорна діра з масою в 10 9 сонячних мас (існування таких чорних дірок підозрюється в квазарах) має середню щільність близько 20 кг/м³, що істотно менше щільності !

Таким чином, чорну дірку можна отримати не тільки стисненням наявного обсягу речовини, а й екстенсивним шляхом, накопиченням величезної кількості матеріалу.

Для точного опису реальних чорних дірок необхідний облік квантових поправок, а також моменту імпульсу. Біля горизонту подій сильні квантові ефекти, пов'язані з матеріальними полями (електромагнітне, нейтринне тощо). Враховує це теорію (тобто ОТО, у якій права частина рівнянь Ейнштейна є середнє за квантовим станом від тензора енергії-імпульсу) зазвичай називають «напівкласичною гравітацією».

Рішення Райсснера - Нордстрема

Це статичне розв'язання рівнянь Ейнштейна для сферично-симетричної чорної діри із зарядом, але без обертання.

Метрика чорної діри Райсснера - Нордстрема:

c− швидкість світла, м/с, t− тимчасова координата (час, що вимірюється на нескінченно віддаленому годиннику), в секундах, r− радіальна координата (довжина «екватора», поділена на 2π ), в метрах, θ − географічна широта (кут від півночі), у радіанах, − довгота , у радіанах, r s− радіус Шварцшильда (в метрах) тіла з масою M , r Q− масштаб довжини (в метрах), що відповідає електричному заряду Q(Аналог радіуса Шварцшильда, тільки не для маси, а для заряду) визначається як де - це постійна Кулона.

Параметри чорної діри не можуть бути довільними. Максимальний заряд, який може мати ЧД Райсснера - Нордстрема, дорівнює , де e- Заряд електрона. Це окремий випадок обмеження Керра - Ньюмена для ЧД з нульовим кутовим моментом ( J= 0, тобто без обертання).

Однак слід зауважити, що в реалістичних ситуаціях (див.: Принцип космічної цензури) чорні дірки не повинні бути значно заряджені.

Рішення Керра

Керрівська чорна діра має низку чудових властивостей. Навколо горизонту подій існує область, звана ергосферою, усередині якої неможливо спочивати щодо віддалених спостерігачів, а лише обертатися навколо чорної дірки у напрямі її обертання. Цей ефект називається «захопленням інерційної системи відліку» (англ. frame-dragging) і спостерігається навколо будь-якого масивного тіла, що обертається, наприклад, навколо Землі або Сонця, але в набагатоменшою мірою. Однак саму ергосферу ще можна покинути, ця область не є захоплюючою. Розміри ергосфери залежить від кутового моменту обертання.

Параметри чорної дірки неможливо знайти довільними (див.: Принцип космічної цензури). При J max = M 2 метрика називається граничним рішенням Керра. Це окремий випадок обмеження Керра - Ньюмена, для ЧД з нульовим зарядом ( Q = 0 ).

Це та інші рішення типу «чорна діра» породжують дивовижну геометрію простору-часу. Однак потрібен аналіз стійкості відповідної конфігурації, яка може бути порушена рахунок взаємодії з квантовими полями та інших ефектів.

Для простору-часу Керра цей аналіз був проведений Субраманіяном Чандрасекаром і було виявлено, що керрівська чорна діра – її зовнішня область – є стійкою. Аналогічно, як окремі випадки, виявилися стійкими шварцшильдівські та рейсснер-нордстремівські дірки. Однак аналіз простору часу Керра - Ньюмена все ще не проведено через великі математичні труднощі.

Рішення Керра - Ньюмена

Трипараметричне сімейство Керра - Ньюмена - найбільш загальне рішення, що відповідає кінцевому стану рівноваги чорної дірки. У координатах Бойєра - Ліндквіста (Boyer - Lindquist) метрика Керра - Ньюмена дається виразом:

З цієї простої формули легко випливає, що горизонт подій знаходиться на радіусі: .

І отже параметри чорної діри не можуть бути довільними. Електричний заряд і кутовий момент не можуть бути більшими за значення, що відповідають зникненню горизонту подій. Повинні виконуватися такі обмеження:

- це обмеження Керра - Ньюмена.

Якщо ці обмеження порушаться, обрій подій зникне, і рішення замість чорної діри описуватиме так звану «голу» сингулярність, але такі об'єкти, згідно з поширеними переконаннями, у реальному всесвіті існувати не повинні. (Див.: Принцип космічної цензури, але він поки не доведений).

Метрику Керра - Ньюмена можна аналітично продовжити так, щоб з'єднати в чорній дірі безліч «незалежних» просторів. Це можуть бути як «інші» Всесвіти, так і віддалені частини нашого Всесвіту. У так одержаних просторах є замкнуті часоподібні криві: мандрівник може, в принципі, потрапити у своє минуле, тобто зустрітися із самим собою. Навколо горизонту подій ЧД, що обертається, також існує область, звана ергосферою, практично еквівалентна ергосфері з рішення Керра; стаціонарний спостерігач, що знаходиться там, повинен обертатися з позитивною кутовою швидкістю (у бік обертання ЧД).

Термодинаміка та випаровування чорних дірок

Уявлення про чорну дірку як про абсолютно поглинаючий об'єкт були скориговані С. Хокінгом у 1975 році. Вивчаючи поведінку квантових полів поблизу чорної дірки, він передбачив, що чорна діра обов'язково випромінює частки у зовнішній простір і цим втрачає масу. Цей ефект називається випромінюванням (випаром) Хокінгу. Спрощено кажучи, гравітаційне поле поляризує вакуум, у результаті можливо освіту як віртуальних, а й реальних пар частка -античастица . Одна з частинок, що виявилася трохи нижче горизонту подій, падає всередину чорної дірки, а інша, що виявилася трохи вище за горизонт, відлітає, несучи енергію (тобто частина маси) чорної дірки. Потужність випромінювання чорної дірки дорівнює

Склад випромінювання залежить від розміру чорної діри: для великих чорних дірок це в основному фотони і нейтрино, а в спектрі легких чорних дірок починають бути присутніми і важкі частки. Спектр хокінгівського випромінювання виявився суворим з випромінюванням абсолютно чорного тіла, що дозволило приписати чорній дірі температуру.

,

де - редукована постійна Планка , c- швидкість світла, k- Постійна Больцмана, G- гравітаційна постійна , M- Маса чорної дірки.

На цій основі була побудована термодинаміка чорних дірок, у тому числі введено ключове поняття ентропії чорної діри, яка виявилася пропорційною площі її горизонту подій:

де A- площу горизонту подій.

Швидкість випаровування чорної дірки тим більше, чим менші її розміри. Випаровуванням чорних дірок зоряних (і тим більше галактичних) масштабів можна знехтувати, однак для первинних і особливо для квантових чорних дірок процеси випаровування стають центральними.

За рахунок випаровування всі чорні дірки втрачають масу і час їхнього життя виявляється кінцевим:

При цьому інтенсивність випаровування наростає лавиноподібно, і заключний етап еволюції носить характер вибуху, наприклад, чорна діра масою 1000 тонн випарується за час 84 секунди, виділивши енергію, рівну вибуху приблизно десяти мільйонів атомних бомб середньої потужності.

У той самий час, великі чорні дірки, температура яких нижче температури реліктового випромінювання Всесвіту (2,7 До), на етапі розвитку Всесвіту можуть лише зростати, оскільки випромінювання ними має меншу енергію, ніж поглинається. Цей процес триватиме доти, доки фотонний газ реліктового випромінювання не охолоне внаслідок розширення Всесвіту.

Без квантової теорії гравітації неможливо описати заключний етап випаровування, коли чорні дірки стають мікроскопічними (квантовими). Згідно з деякими теоріями, після випаровування має залишатися «огарок» - мінімальна планківська чорна діра.

Теореми про «відсутність волосся»

Теореми про «відсутність волосся» у чорної дірки (англ. No hair theorem) говорять про те, що у стаціонарної чорної діри зовнішніх характеристик, крім маси, моменту імпульсу та певних зарядів (специфічних для різних матеріальних полів), бути не може, і детальна інформація про матерію буде втрачена (і частково випромінювана зовні) при колапсі. Великий внесок у доказ подібних теорем для різних систем фізичних полів зробили Брендон Картер, Вернер Ізраель, Роджер Пенроуз, Петро Крушель (Chruściel), Маркус Хойслер. Зараз видається, що ця теорема вірна для відомих нині полів, хоча у деяких екзотичних випадках, аналогів яких у природі не виявлено, вона порушується.

Падіння в чорну дірку

Уявімо, як має виглядати падіння в шварцшильдівську чорну дірку. Тіло, що вільно падає під дією сил тяжіння, знаходиться в стані невагомості. Тело, що падає, буде відчувати дію приливних сил, що розтягують тіло в радіальному напрямку і стискають - в тангенціальному. Величина цих сил зростає і прагне нескінченності при . У певний момент свого часу тіло перетне обрій подій. З погляду спостерігача, який падає разом із тілом, цей момент нічим не виділено, проте повернення тепер немає. Тіло виявляється в горловині (її радіус у точці, де знаходиться тіло і є), що стискається настільки швидко, що відлетіти з неї до моменту остаточного схлопування (це і є сингулярність) вже не можна, навіть рухаючись зі швидкістю світла.

Розглянемо тепер процес падіння тіла в чорну дірку з погляду віддаленого спостерігача. Нехай, наприклад, тіло буде світиться і, крім того, посилатиме сигнали назад з певною частотою. Спочатку віддалений спостерігач бачитиме, що тіло, перебуваючи в процесі вільного падіння, поступово розганяється під дією сил тяжіння у напрямку до центру. Колір тіла не змінюється, частота сигналів, що детектуються, практично постійна. Однак, коли тіло почне наближатися до горизонту подій, фотони, що йдуть від тіла, будуть відчувати все більший і більший гравітаційний червоний зсув. Крім того, через гравітаційне поле як світло, так і всі фізичні процеси з точки зору віддаленого спостерігача йдуть все повільніше і повільніше. Здаватиметься, що тіло - у надзвичайно сплющеному вигляді - буде сповільнюватися, наближаючись до горизонту подій і, зрештою, практично зупиниться. Частота сигналу різко падатиме. Довжина хвилі світла, що випускається тілом, буде стрімко зростати, так що світло швидко перетвориться на радіохвилі і далі в низькочастотні електромагнітні коливання, зафіксувати які вже буде неможливо. Перетину тілом горизонту подій спостерігач не побачить ніколи і в цьому сенсі падіння в чорну дірку триватиме нескінченно довго. Є, однак, момент, з якого вплинути на падаюче тіло віддалений спостерігач вже зможе. Промінь світла, посланий слідом за цим тілом, його або взагалі ніколи не наздожене, або наздожене вже за горизонтом.

Аналогічно виглядатиме для віддаленого спостерігача та процес гравітаційного колапсу. Спочатку речовина ринеться до центру, але поблизу горизонту подій вона різко сповільнюватиметься, її випромінювання піде в радіодіапазон, і, в результаті, віддалений спостерігач побачить, що зірка згасла.

Модель на основі теорії струн

Група Саміра Матура розрахувала розміри кількох моделей чорних дірок за своєю методикою. Отримані результати збігалися із розмірами «горизонту подій» у традиційній теорії.

У зв'язку з цим Матур припустив, що горизонт подій насправді являє собою масу струн, що піняться, а не жорстко окреслений кордон.

Отже, згідно з цією моделлю, чорна діра насправді не знищує інформацію тому що жодної сингулярності в чорних дірах немає. Маса струн розподіляється по всьому об'єму до горизонту подій і інформація може зберігатися в струнах і передаватися вихідним випромінюванням Хокінга (а отже виходити за горизонт подій).

Ще один варіант запропонував Гері Горовіц з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі та Хуан Малдасена з Прінстонівський Інститут передових досліджень. На думку цих дослідників, сингулярність у центрі чорної діри існує, проте інформація до неї просто не потрапляє: матерія йде в сингулярність, а інформація – шляхом квантової телепортації – друкується на випромінюванні Хокінга.

Чорні дірки у Всесвіті

З часу теоретичного передбачення чорних дірок залишалося відкритим питання про їхнє існування, оскільки наявність рішення типу «чорна діра» ще не гарантує, що існують механізми утворення подібних об'єктів у Всесвіті. Відомі, однак, механізми, які можуть призводити до того, що деяка областьпростору-часу матиме ті ж властивості (ту ж геометрію), що й відповідна областьу чорної дірки. Так, наприклад, в результаті колапсу зірки може сформуватися простір-час, показаний на малюнку.

Коли людина почала вивчати космос, вона зіткнулася із загадковим явищем. Воно отримало назву "чорна діра". Виявляється, у просторі-часі є якась область, що має високі гравітаційні тяжіння. В результаті з неї не можуть вибратися навіть об'єкти, що рухаються зі швидкістю світла.

Йдеться, зокрема, і про кванти самого світла. Ці області дійсно є чорними, що поглинають все навколо і ніколи не випускають. Ми можемо лише гадати про їхню природу та можливості, а недостатність інформації про це явище породжує і деякі міфи.

Міфи про чорні діри

Першим про існування чорних дірок заявив Альберт Ейнштейн.Здавалося б, кому, як не цьому великому вченому, теоретику часу та простору та заявити про існування чорних дірок? Насправді, першим таке припущення зробив зовсім не він, а Джон Мітчелл. Сталося це ще 1783 року, тоді як Ейнштейн свою теорію створив 1916 року. Однак у ті часи теорія виявилася незатребуваною, англійський священик Мітчелл просто не знайшов застосування. Сам він почав думати про чорні діри, прийнявши вчення Ньютона про природу світла. У ті часи вважали, що він складається з найдрібніших матеріальних частинок, фотонів. Думаючи про їхнє переміщення, Мітчелл зрозумів, що воно залежить від гравітаційного поля тієї зірки, звідки частинки починають свій шлях. Вчений задумався про те, що станеться з фотонами, якщо гравітаційне поле буде таким великим, що взагалі не випустить світла. Цікаво, що саме Мітчелл вважається засновником сейсмології у такому вигляді, як ми її знаємо. Англійський священик першим припустив. Що землетруси поширюються на поверхні подібно до хвиль.

Чорні зірки не поглинають простору.Космос можна подати у вигляді листа гуми. Тоді планети будуть деякими кульками, які чинять на нього тиск. Через війну відбувається деформація, а прямі лінії зникають. Так і з'являється гравітація, що пояснює рух планет навколо зірок. У разі зростання маси деформація лише збільшується. З'являються додаткові обурення поля, які визначають силу тяжіння. Орбітальні швидкості збільшуються, що передбачає дедалі швидший рух тіл навколо об'єкта. Наприклад, планета Меркурій рухається навколо Сонця зі швидкістю 48км/с, а зірки переміщаються у просторі неподалік чорних дірок у 100 разів швидше! У разі сильної сили тяжіння можливе зіткнення супутника та об'єктів більшого розміру. А вся ця маса прагне до центру – у чорну дірку.

Усі чорні дірки однакові.Багатьом з нас здається, що цей термін належить однаковим за своєю суттю. Однак астрономи прийшли до думки, що чорні дірки мають кілька різновидів. Бувають дірки, що обертаються, деякі мають електричний заряд, а є і такі, хто володіє і тими, і іншими рисами. Зазвичай такі об'єкти з'являються шляхом поглинання матерії, чорна діра, що обертається, з'являється при злитті двох звичайних. Такі утворення через зростання обурення простору починають витрачати набагато більше енергії. Заряджена чорна діра перетворюється на один величезний прискорювач частинок. Класичним прикладом такого класу є GRS 1915+105. Ця чорна діра крутиться зі швидкістю 950 оборотів в секунду, а знаходиться вона на відстані 35 тисяч світлових років від нашої планети.

Щільність чорних дірок невисока.Цим об'єктам при своїх розмірах треба бути дуже важкими, щоб генерувати силу тяжіння для утримання в собі світла. Так, якщо масу Землі стиснути до щільності чорної дірки, то вийде кулька діаметром 9 міліметрів. Темний об'єкт, що перевищує своєю масою Сонце в 4 мільйони разів, може поміститися між Меркурієм та нашою зіркою. Ті чорні дірки, які знаходяться в центрі галактик, можуть важити в 10-30 мільйонів разів більше за Сонце. Така грандіозна маса в порівняно невеликому обсязі означає, що у чорних дірок величезна щільність і процеси, що відбуваються всередині, дуже сильні.

Чорна дірка дуже тиха.Важко уявити, що величезний темний об'єкт, що засмоктує все навколо, ще й шумів. Насправді все, що потрапляє у цю прірву, рухається із постійним прискоренням. У результаті межі простору-часу, яку ми все ще можемо відчувати через кінцівки швидкості світла, частки розганяються майже світлових швидкостей. Коли матерія починає рухатися до граничних швидкостей, з'являється звук, що булькає. Він є наслідком трансформації енергії руху на звукові хвилі. У результаті чорна діра виявляється дуже галасливим об'єктом. У 2003 році астрономи, які працювали в космічній рентгенівській обсерваторії Чандра, змогли зафіксувати звукові хвилі, що походять від масивної чорної діри. Адже та розташовується на відстані 250 мільйонів світлових років від нас, що вкотре свідчить про шумність таких об'єктів.

Від тяжіння чорних дірок ніщо не може вислизнути.Це твердження є вірним. Адже колись якісь великі або дрібні об'єкти опиняються поблизу чорної діри, вони неодмінно опиняються у полоні її гравітаційного поля. При цьому це може бути як дрібна частка, так і планета, зірка або навіть галактика. Однак якщо на цей об'єкт діє сила, велика тяжіння чорної дірки, він зможе уникнути смертельного полону. Це може бути, наприклад, ракета. Але це можливо до того, як об'єкт досягне обрії подій, коли світло ще може вирватися з полону. Після цього кордону вирватися з обіймів всепоглинаючого космічного монстра буде вже неможливо. Адже, щоб вирватися за межі горизонту, треба розвинути швидкість більше, ніж швидкість світла. А таке неможливе навіть теоретично. Так що чорні діри є по-справжньому чорними - оскільки світло ніколи не може вибратися назовні, ми не можемо зазирнути всередину цього загадкового об'єкта. Вчені вважають, що навіть невелика чорна діра розірве мимовільного спостерігача на частинки ще до горизонту подій. Сила тяжіння зростає не лише з наближенням до центру планети та зірки, а й до чорної діри. Якщо летіти до неї вперед ногами, то сила тяжіння в ступнях виявиться набагато вищою, ніж у голові, і призведе до миттєвого розриву тіла.

Чорна діра не змінює час.Світло огинає обрій подій, але в результаті він проникає всередину і йде в небуття. Так що ж станеться з годинником, якщо той впаде в чорну дірку і продовжить там свою роботу? Наближаючись до обрії подій, вони почнуть сповільнюватися, доки остаточно не зупиняться. Така зупинка пов'язана з гравітаційним його уповільненням, що пояснює теорія відносності Ейнштейна. У чорній дірі настільки велика сила тяжіння, що може сповільнювати час. З точки зору годинника нічого не зміниться, проте вони пропадуть з поля зору, а світло від них розтягуватиметься під дією важкого об'єкта. Світло почнемо переходити в червоний спектр, довжина його хвилі збільшуватиметься. В результаті він остаточно стане невидимим.

Чорна діра не виробляють жодної енергії.Відомо, що ці об'єкти затягують всю оточуючу масу. Вчені припускають, що всередині все стискається настільки сильно, що навіть зменшується простір між атомами. В результаті народжуються субатомні частки, які можуть вилітати назовні. У цьому їм допомагають лінії магнітного поля, які перетинають обрій подій. Через війну виділення таких частинок породжує енергію, а сам метод виявляється досить ефективним. Перехід маси в енергію у разі дає у 50 разів більшу віддачу, ніж під час ядерного синтезу. А сама чорна діра постає величезним реактором.

Немає жодної залежності зірок та числа чорних дірок.Якось Карл Саган, відомий астрофізик, заявив, що зірок у Всесвіті більше, ніж піщинок на пляжах усього світу. Вчені вважають, що це число все ж таки звичайно і становить 10 в ступені 22. При чому ж тут чорні дірки? Саме вони їхня кількість і визначає кількість зірок. Виявляється, потоки частинок, що випускаються чорними об'єктами, розширюються до деяких бульбашок, які можуть поширюватися через місця формування зірок. Ці області знаходяться у газових хмарах, які при охолодженні та породжують світила. А потоки частинок нагрівають газові хмари та не дають з'явитися новим зіркам. У результаті існує постійна рівновага між активністю чорних дірок та кількістю зірок у Всесвіті. Адже якщо в галактиці буде надто багато зірок, то вона виявиться надто гарячою та вибухонебезпечною, життя складно там буде зародитися. І, навпаки, небагато зірок також допоможе зародитися життя.

Чорна діра складаються з іншого матеріалу, ніж ми.Ряд вчених вважає, що чорні дірки допомагають при народженні нових елементів. І це можна зрозуміти з огляду на розщеплення матерії на дрібні субатомні частинки. Вони потім беруть участь у освіті зірок, що згодом веде до появи елементів важче гелію. Йдеться про вуглецю і залозу, необхідні появи твердих планет. У результаті ці елементи і входять до складу всього, що має масу, тобто і саму людину. Цілком ймовірно, що справжнім будівельником нашого тіла є якась далека чорна діра.

Чорні діри

Починаючи у середині ХІХ ст. Розробку теорії електромагнетизму, Джеймс Клерк Максвелл мав велику кількість інформації про електричне і магнітне поля. Зокрема, дивним був той факт, що електричні та магнітні сили зменшуються з відстанню точно так, як і сила тяжіння. І гравітаційні, і електромагнітні сили – це сили великого радіусу дії. Їх можна відчути на дуже великій відстані від джерел. Навпаки, сили, що пов'язують воєдино ядра атомів, - сили сильної та слабкої взаємодій - мають короткий радіус дії. Ядерні сили даються взнаки лише в дуже малій області, що оточує ядерні частинки. Великий радіус дії електромагнітних сил означає, що, перебуваючи далеко від чорної дірки, можна зробити експерименти для з'ясування, чи ця діра заряджена чи ні. Якщо в чорної діри є електричний заряд (позитивний або негативний) або магнітний заряд (відповідний північному або юному магнітному полюсу), то спостерігач, що знаходиться вдалині, здатний за допомогою чутливих приладів виявити існування цих зарядів. Наприкінці 1960-х - початку 1970-х років -теоретики наполегливо працювали над проблемою: інформація про які властивості чорних дірок зберігається, а про які - губиться в них? Характеристики чорної діри, які можуть бути виміряні віддаленим спостерігачем, - це її маса, її заряд та її момент кількості руху. Ці три основні характеристики зберігаються при утворенні чорної дірки та визначають геометрію простору-часу поблизу неї. Іншими словами, якщо задати масу, заряд і момент кількості руху чорної дірки, то про неї вже буде відомо все - у чорних дірок немає інших властивостей, крім маси, заряду та моменту кількості руху. Таким чином, чорні дірки – це дуже прості об'єкти; вони набагато простіші, ніж зірки, з яких чорні дірки виникають. Р. Райснер і Г. Нордстрем відкрили рішення ейнштейнівських рівнянь гравітаційного поля, що повністю описує "заряджену" чорну дірку. Така чорна діра може мати електричний заряд (позитивний або негативний) і/або магнітний заряд (відповідний північному або південному магнітному полюсу). Якщо електрично заряджені тіла – справа звичайна, то магнітно заряджені – зовсім немає. Тіла, у яких є магнітне поле (наприклад, звичайний магніт, стрілка компаса, Земля), мають обов'язково і північні, і південні полюси відразу. До останнього часу більшість фізиків вважали, що магнітні полюси завжди зустрічаються лише парами. Однак у 1975 р. група вчених з Берклі та Х'юстона оголосила, що під час одного з експериментів ними відкрито магнітний монополь. Якщо ці результати підтвердяться, то виявиться, що можуть бути окремі магнітні заряди, тобто. що північний магнітний полюс може існувати окремо від південного і назад. Рішення Райснер-Нордстрем допускає можливість існування у чорної діри магнітного поля монополя. Незалежно від того, як чорна діра набула свого заряду, всі властивості цього заряду у рішенні Райснера-Нордстрема поєднуються в одну характеристику - число Q. Ця особливість аналогічна тому факту, що рішення Шварцшильда не залежить від того, яким чином чорна діра набула своєї маси. У цьому геометрія простору-часу у рішенні Райснера-Нордстрема залежить від природи заряду. Він може бути позитивним, негативним, відповідати північному магнітному полюсу або південному - важливим є лише його повне значення, яке можна записати як |Q|. Отже, властивості чорної діри Райснера-Нордстрема залежать лише від двох параметрів - повної маси діри М та її повного заряду | Q | (Іншими словами, від його абсолютної величини). Розмірковуючи про реальні чорні діри, які могли б реально існувати в нашому Всесвіті, фізики дійшли висновку, що рішення Райснера-Нордстрема виявляється не дуже суттєвим, бо електромагнітні сили набагато більші за сили тяжіння. Наприклад, електричне поле електрона або протона в трильйони трильйонів разів сильніше за їх гравітаційне поле. Це означає, що якби у чорної дірки був досить великий заряд, то величезні сили електромагнітного походження швидко розкидали б на всі боки газ і атоми, " плавають " у космосі. У найкоротший час частинки, що мають такий самий знак заряду, як і чорна діра, зазнали б потужного відштовхування, а частинки з протилежним знаком заряду - настільки ж сильне тяжіння до неї. Притягуючи частинки із зарядом протилежного знака, чорна дірка незабаром стала б електрично нейтральною. Тому можна вважати, що реальні чорні діри мають заряд лише малої величини. Для реальних чорних дірок значення | Q | має бути набагато менше, ніж М. Насправді, з розрахунків випливає, що чорні дірки, які могли б реально існувати в космосі, повинні мати масу М, принаймні, у мільярд мільярдів разів більшу, ніж величина |Q|.

Чому дорівнює електричний заряд чорної дірки? Для "нормальних" чорних дірок астрономічних масштабів це питання дурне і безглузде, але для мініатюрних чорних дірок воно дуже актуальне. Припустимо, мініатюрна чорна діра з'їла трохи більше електронів, ніж протонів, і набула негативного електричного заряду. Що буде, коли заряджена мініатюрна чорна діра виявиться усередині щільної матерії?

Для початку приблизно прикинемо електричний заряд чорної дірки. Пронумеруємо заряджені частинки, що падають у чорну дірку, починаючи з самого початку тирьямпампації, що призвела до її появи, і почнемо підсумовувати їх електричні заряди: протон - +1, електрон - -1. Розглянемо це як довільний процес. Імовірність отримати +1 кожному кроці дорівнює 0.5, отже ми маємо класичний приклад випадкового блукання , тобто. середній електричний заряд чорної діри, виражений в елементарних зарядах, дорівнюватиме

Q = sqrt (2N/π)

де N – кількість заряджених частинок, поглинених чорною діркою.

Візьмемо нашу улюблену 14-кілотонну чорну дірку та порахуємо, скільки вона з'їла заряджених частинок

N = M/m протона = 1.4 * 10 7 / (1.67 * 10 -27) = 8.39 * 10 33
Звідси q = 7.31 * 1016 елементарних зарядів = 0.0117 Кл. Здавалося б, небагато – такий заряд проходить за секунду через нитку 20-ватної лампочки. Але для статичного заряду величина нехила (купка протонів з таким сумарним зарядом важить 0.121 нанограма), а для статичного заряду об'єкта завбільшки з елементарну частинку – величина просто охренительная.

Подивимося, що відбувається, коли заряджена чорна діра потрапляє всередину відносно щільної речовини. Для початку розглянемо найпростіший випадок – газоподібний двоатомний водень. Тиск вважатимемо атмосферним, температуру – кімнатною.

Енергія іонізації атома водню становить 1310 кДж/моль чи 2.18*10 -18 на атом. Енергія ковалентного зв'язку в молекулі водню дорівнює 432 КДж/моль або 7.18*10 -19 Дж одну молекулу. Відстань, яку потрібно відтягнути електрони від атомів, приймемо за 10 -10 м, начебто має вистачити. Таким чином, сила, що діє на пару електронів у молекулі водню в процесі іонізації, повинна дорівнювати 5.10*10 -8 Н. На один електрон – 2.55*10 -8 Н.

За законом Кулону

R = sqrt (kQq/F)

Для 14-кілотонної чорної діри маємо R = sqrt (8.99*109*0.0117*1.6*10-19/2.55*10-8) = 2.57 см.

Електрони, вирвані з атомів, отримують стартове прискорення щонайменше 1.40*10 32 м/с 2 (водень), іони – щонайменше 9.68*10 14 м/с 2 (кисень). Не викликає сумнівів, що всі частинки потрібного заряду дуже швидко поглинуть чорну дірку. Цікаво було б порахувати, скільки енергії встигнуть викинути в навколишнє середовище частки протилежного заряду, але вважати інтеграли ламає:-(а як це зробити без інтегралів – не знаю:-(Навскидку, візуальні ефекти варіюватимуться в межах від дуже маленької блискавки кульової до цілком цілком пристойної кульової блискавки.

З іншими діелектриками чорна діра робить приблизно те саме. Для кисню радіус іонізації дорівнює 2.55 див, для азоту - 2.32 див, неону - 2.21 див, гелію - 2.07 див. У кристалів діелектрична проникність різна в різних напрямках і зона іонізації матиме складну форму. Для алмазу середній радіус іонізації (виходячи з табличного значення константи діелектричної проникності) становитиме 8.39 мм. Напевно, майже всюди набрехав по дрібниці, але порядок величин повинен бути таким.

Отже, чорна діра, потрапивши в діелектрик, швидко втрачає свій електричний заряд, не виробляючи при цьому особливих спецефектів, крім перетворення невеликого об'єму діелектрика на плазму.

У разі потрапляння в метал чи плазму нерухома заряджена чорна діра нейтралізує свій заряд практично миттєво.

А тепер подивимося, як електричний заряд чорної дірки впливає на те, що відбувається з чорною діркою в надрах зірки. У першій частині трактату вже наводилися характеристики плазми у центрі Сонця – 150 тонн на кубометр іонізованого водню за нормальної температури 15 000 000 К. Гелій поки нахабно ігноруємо. Теплова швидкість протонів у зазначених умовах становить 498 км/с, а ось електрони літають із майже релятивістськими швидкостями – 21300 км/с. Спіймати такий швидкий електрон гравітацією практично неможливо, тому чорна діра швидко набиратиме позитивний електричний заряд до тих пір, поки не досягне рівновага між поглинанням протонів і поглинанням електронів. Побачимо, що це буде за рівновагу.

На протон із боку чорної діри діє сила тяжіння

F п = (GMm п - kQq)/R 2

Перша "електрокосмічна" :-) швидкість для такої сили виходить із рівняння

mv 1 2 /R = (GMm п - kQq)/R 2

v п1 = sqrt((GMm п - kQq)/mR)

Друга "електрокосмічна" швидкість протона є

v п2 = sqrt(2)v 1 = sqrt(2(GMm п - kQq)/(m п R))

Звідси радіус поглинання протонів дорівнює

R п = 2(GMm п - kQq)/(m п v п 2)

Аналогічно радіус поглинання електронів дорівнює

R е = 2(GMm е + kQq)/(m е v е 2)

Щоб протони та електрони поглиналися з рівною інтенсивністю, ці радіуси мають бути рівні, тобто.

2(GMm п - kQq)/(m п v п 2) = 2(GMm е + kQq)/(m е v е 2)

Зауважимо, що знаменники рівні, і скоротимо рівняння.

GMm п - kQq = GMm е + kQq

Вже дивно – від температури плазми нічого не залежить. Вирішуємо:

Q = GM(m п - m е)/(kq)

Підставляємо цифірки та з подивом отримуємо Q = 5.42*10 -22 Кл – менше заряду електрона.

Підставляємо це Q в R п = R е і з ще більшим подивом отримуємо R = 7.80 * 10 -31 менше радіусу горизонту подій для нашої чорної дірки.

ПЕРЕВІД МЕДВЕД

Висновок – рівновага в нулі. Кожен проковтнутий чорною діркою протон відразу призводить до проковтування електрона і заряд чорної дірки знову стає нульовим. Заміна протона на важчий іон нічого принципово не змінює - рівноважний заряд буде не на три порядки менше елементарного, а на один, та й що з того?

Отже, загальний висновок: електричний заряд чорної діри ні на що суттєво не впливає. А виглядало так привабливо...

У наступній частині, якщо не набридне ні аффтару, ні читачам, ми розглянемо мініатюрну чорну дірку в динаміці – як вона гасає надрах планети чи зірки і пожирає матерію на своєму шляху.

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

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

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

Рівняння Ейнштейна

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

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

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

Освіта чорної дірки

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

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

Два інших сценарії залишаються гіпотетичними:

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

Структура та фізика чорних дірок

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

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

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

З чого складається ЧД?

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

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

Що буде якщо потрапити до чорної діри?

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

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

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

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

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

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

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

Чорні дірки у Всесвіті

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

• Чорна діра зоряної маси. Такі об'єкти утворюються внаслідок колапсу зірки. Як згадувалося раніше, мінімальна маса тіла, здатного утворити таку чорну дірку становить 2.5 – 3 сонячних мас.
• Чорні дірки середньої маси. Умовний проміжний тип чорних дірок, які збільшилися за рахунок поглинання довколишніх об'єктів, на кшталт скупчення газу, сусідньої зірки (у системах двох зірок) та інших космічних тіл.
• Надмасивна чорна діра. Компактні об'єкти з 10 5 -10 10 мас Сонця. Відмінними властивостями таких ЧД є парадоксально невисока густина, а також слабкі припливні сили, про які йшлося раніше. Саме така надмасивна чорна дірка у центрі нашої галактики Чумацького шляху (Стрілець А*, Sgr A*), а також більшості інших галактик.

Кандидати у ЧД

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

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

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

Скільки чорних дірок у нашій галактиці?

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

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

Найбільша чорна діра

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

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

Виявлення чорних дірок

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

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

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

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

Методи виявлення

Розглянемо методи, які використовують астрономи для виявлення чорної діри:

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

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

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

Злиття та зіткнення чорних дір

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

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

Як вмирають чорні дірки?

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

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

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

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

Невирішені проблеми фізики чорних дір

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

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

Цікаві факти про чорні діри

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

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