Розповісти все про чорні діри. Чорна діра у космосі: звідки вона виникає
Для того, щоб утворилася чорна діра, потрібно стиснути тіло до деякої критичної щільності так, щоб радіус стисненого тіла дорівнював його гравітаційному радіусу. Величина цієї критичної щільності обернено пропорційна квадрату маси чорної діри.
Для типової чорної діри зоряної маси ( M=10M sun) гравітаційний радіус дорівнює 30 км, а критична щільність 2·10 14 г/см 3 тобто двісті мільйонів тонн у кубічному сантиметрі. Ця щільність дуже велика порівняно із середньою щільністю Землі (5,5 г/см 3), вона дорівнює щільності речовини атомного ядра.
Для чорної дірки в ядрі галактики ( M=10 10 M sun) гравітаційний радіус дорівнює 3·10 15 см = 200 а.е., що у п'ять разів більше відстані від Сонця до Плутона (1 астрономічна одиниця – середня відстань від Землі до Сонця – дорівнює 150 млн. км або 1,5·10) 13 см). Критична щільність у своїй дорівнює 0,2·10 -3 г/см 3 , що у кілька разів менше щільності повітря, що дорівнює 1,3·10 -3 г/см 3 (!).
Для Землі ( M=3 · 10 -6 M sun) гравітаційний радіус близький до 9 мм, а відповідна критична щільність жахливо велика: ρ кр = 2·10 27 г/см 3 , що на 13 порядків вище за щільність атомного ядра.
Якщо ми візьмемо якийсь уявний сферичний прес і стискатимемо Землю, зберігаючи її масу, то коли ми зменшимо радіус Землі (6370 км) вчетверо, її друга космічна швидкість зросте вдвічі і дорівнюватиме 22,4 км/c. Якщо ж ми стиснемо Землю так, що її радіус стане рівним приблизно 9 мм, то друга космічна швидкість набуде значення, що дорівнює швидкості світла c= 300 000 км/с.
Далі прес не знадобиться – стиснута до таких розмірів Земля вже сама стискатиметься. Зрештою, на місці Землі утворюється чорна діра, радіус горизонту подій якої буде близький до 9 мм (якщо знехтувати обертанням чорної діри, що утворилася). У реальних умовах, зрозуміло, ніякого надпотужного преса немає – працює гравітація. Саме тому чорні дірки можуть утворюватися лише за колапсу внутрішніх частин дуже масивних зірок, у яких гравітація досить сильна, щоб стиснути речовину до критичної щільності.
Еволюція зірок
Чорні дірки утворюються на кінцевих стадіях еволюції потужних зірок. У надрах звичайних зірок йдуть термоядерні реакції, виділяється величезна енергія та підтримується висока температура (десятки та сотні мільйонів градусів). Сили гравітації прагнуть стиснути зірку, а сили тиску гарячого газу та випромінювання протистоять цьому стиску. Тому зірка знаходиться у гідростатичній рівновазі.
Крім того, у зірці може існувати теплова рівновага, коли енерговиділення, обумовлене термоядерними реакціями в її центрі, точно дорівнює потужності, що випромінюється зіркою з поверхні. При стисканні та розширенні зірки теплова рівновага порушується. Якщо зірка стаціонарна, то її рівновага встановлюється так, що негативна потенційна енергія зірки (енергія гравітаційного стиску) за абсолютною величиною завжди вдвічі більша за теплову енергію. Через це зірка має дивовижну властивість - негативну теплоємність. Звичайні тіла мають позитивну теплоємність: нагрітий шматок заліза, остигаючи, тобто втрачаючи енергію, знижує свою температуру. У зірки все навпаки: чим більше вона втрачає енергії у вигляді випромінювання, тим вище стає температура в її центрі.
Ця дивна, здавалося б, особливість знаходить просте пояснення: зірка, випромінюючи, повільно стискається. При стисканні потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію падіння шарів зірки, і її надра розігріваються. Причому теплова енергія, що купується зіркою в результаті стиснення, вдвічі більша за енергію, яка втрачається у вигляді випромінювання. Через війну температура надр зірки зростає, і здійснюється безперервний термоядерний синтез хімічних елементів. Наприклад, реакція перетворення водню на гелій у нинішньому Сонці йде за температури 15 мільйонів градусів. Коли, через 4 мільярди років, у центрі Сонця водень весь перетвориться на гелій, для подальшого синтезу атомів вуглецю з атомів гелію знадобиться значно вища температура, близько 100 мільйонів градусів (електричний заряд ядер гелію вдвічі більший, ніж ядер водню, і щоб зблизити ядра гелію на відстань 10 -13 см потрібна набагато більша температура). Саме така температура буде забезпечена завдяки негативній теплоємності Сонця на момент запалення в його надрах термоядерної реакції перетворення гелію на вуглець.
Білі карлики
Якщо маса зірки невелика, то маса її ядра, порушеного термоядерними перетвореннями, менше 1,4 M sun термоядерний синтез хімічних елементів може припинитися через так зване виродження електронного газу в ядрі зірки. Зокрема, тиск виродженого газу залежить від щільності, але не залежить від температури, оскільки енергія квантових рухів електронів набагато більша за енергію їх теплового руху.
Високий тиск виродженого електронного газу ефективно протидіє силам гравітаційного стиску. Оскільки тиск залежить від температури, втрата енергії зіркою як випромінювання не призводить до стиснення її ядра. Отже, гравітаційна енергія не виділяється як додаткового тепла. Тому температура в еволюціонує виродженому ядрі не зростає, що призводить до переривання ланцюжка термоядерних реакцій.
Зовнішня воднева оболонка, не порушена термоядерними реакціями, відокремлюється від ядра зірки та утворює планетарну туманність, що світиться в лініях випромінювання водню, гелію та інших елементів. Центральне компактне і порівняно гаряче ядро зірки невеликої маси, що проеволюціонувала, являє собою білий карлик - об'єкт з радіусом порядку радіусу Землі (~10 4 км), масою менше 1,4 M sun та середньою щільністю порядку тонни у кубічному сантиметрі. Білі карлики спостерігаються у великій кількості. Їх повне число в Галактиці досягає 1010, тобто близько 10% від всієї маси спостерігається речовини Галактики.
Термоядерне горіння у виродженому білому карлику може бути нестійким і призводити до ядерного вибуху досить масивного білого карлика з масою, близькою до так званої чандрасекарівської межі (1,4 M sun). Такі вибухи виглядають, як спалахи наднових І типу, у яких у спектрі немає ліній водню, а лише лінії гелію, вуглецю, кисню та інших важких елементів.
Нейтронні зірки
Якщо ядро зірки вироджене, при наближенні його маси до межі 1,4 M sun звичайне виродження електронного газу в ядрі змінюється так званим релятивістським виродженням.
Квантові рухи вироджених електронів стають такими швидкими, що й швидкості наближаються до швидкості світла. При цьому пружність газу падає, його здатність протидіяти силам гравітації зменшується, і зірка зазнає гравітаційного колапсу. Під час колапсу електрони захоплюються протонами і відбувається нейтронізація речовини. Це веде до формування з потужного виродженого ядра нейтронної зірки.
Якщо вихідна маса ядра зірки перевищує 1,4 M sun , то ядрі досягається висока температура, і виродження електронів немає протягом її еволюції. У цьому випадку працює негативна теплоємність: у міру втрати енергії зіркою у вигляді випромінювання температура в її надрах зростає, і йде безперервний ланцюжок термоядерних реакцій перетворення водню на гелій, гелію на вуглець, вуглецю на кисень і так далі, аж до елементів групи заліза. Реакція термоядерного синтезу ядер елементів, важчих, ніж залізо, йде не з виділенням, і з поглинанням енергії. Тому, якщо маса ядра зірки, що складається в основному з елементів групи заліза, перевищує чандрасекарівську межу 1,4 M sun , але менше так званої межі Оппенгеймера-Волкова ~3 M sun , то наприкінці ядерної еволюції зірки відбувається гравітаційний колапс ядра, у результаті якого зовнішня воднева оболонка зірки скидається, що спостерігається як спалах наднової зірки II типу, у спектрі якої спостерігаються потужні лінії водню.
Колапс залізного ядра призводить до формування нейтронної зірки.
При стисканні потужного ядра зірки, досягла пізньої стадії еволюції, температура піднімається до гігантських значень близько мільярда градусів, коли ядра атомів починають розвалюватися на нейтрони і протони. Протони поглинають електрони, перетворюються на нейтрони, випускаючи у своїй нейтрино. Нейтрони ж, згідно з квантово-механічним принципом Паулі, при сильному стисканні починають ефективно відштовхуватися один від одного.
Коли маса ядра, що колапсує, менше 3 M sun , швидкості нейтронів значно менші за швидкість світла та пружність речовини, обумовлена ефективним відштовхуванням нейтронів, може врівноважити сили гравітації та призвести до утворення стійкої нейтронної зірки.
Вперше можливість існування нейтронних зірок була передбачена в 1932 видатним радянським фізиком Ландау відразу після відкриття нейтрона в лабораторних експериментах. Радіус нейтронної зірки близький до 10 км., її середня щільність становить сотні мільйонів тонн у кубічному сантиметрі.
Коли маса ядра зірки, що колапсує, більше 3 M sun , то, згідно з існуючими уявленнями, нейтронна зірка, що утворюється, остигаючи, колапсує в чорну дірку. Колапсу нейтронної зірки в чорну дірку сприяє також зворотне падіння частини оболонки зірки, скинутої під час вибуху наднової.
Нейтронна зірка, як правило, швидко обертається, оскільки звичайна зірка, що породила її, може мати значний кутовий момент. Коли ядро зірки колапсує в нейтронну зірку, характерні розміри зірки зменшуються від R= 10 5 -10 6 км до R≈ 10 км. Зі зменшенням розміру зірки зменшується її момент інерції. Для збереження моменту кількості руху має різко зрости швидкість осьового обертання. Наприклад, якщо Сонце, що обертається з періодом близько місяця, стиснути до розмірів нейтронної зірки, період обертання зменшиться до 10 –3 секунди.
Поодинокі нейтронні зірки з сильним магнітним полем проявляють себе як радіопульсари - джерела строго періодичних імпульсів радіовипромінювання, що виникають при перетворенні енергії швидкого обертання нейтронної зірки у спрямоване радіовипромінювання. У подвійних системах нейтронні зірки, що акреціюють, демонструють феномен рентгенівського пульсара і рентгенівського барстера 1-го типу.
У чорної дірки суворо періодичних пульсацій випромінювання годі й чекати, оскільки чорна діра немає спостерігається поверхні і магнітного поля. Як часто виражаються фізики, чорні діри не мають «волосся» - всі поля і всі неоднорідності поблизу горизонту подій випромінюються при формуванні чорної діри з колапсуючої матерії у вигляді потоку гравітаційних хвиль. У результаті, у чорній дірі, що утворилася, є лише три характеристики: маса, кутовий момент і електричний заряд. Всі індивідуальні властивості колапсуючої речовини при утворенні чорної діри забуваються: наприклад, чорні діри, що утворилися із заліза та води, мають за інших рівних умов однакові характеристики.
Як передбачає Загальна теорія відносності (ОТО), зірки, маси залізних ядер яких наприкінці еволюції перевищують 3 M sun, відчувають необмежену стиск (релятивістський колапс) з утворенням чорної діри. Це пояснюється тим, що в ВТО сили гравітації, що прагнуть стиснути зірку, визначаються щільністю енергії, а при величезних щільності речовини, що досягаються при стисканні настільки масивного ядра зірки, головний внесок у щільність енергії робить вже не енергія спокою частинок, а енергія їх руху та взаємодії . Виходить, що в ВТО тиск речовини при дуже великих щільностях як би саме «важить»: чим більший тиск, тим більша щільність енергії і, отже, тим більше сили гравітації, що прагнуть стиснути речовину. Крім того, при сильних гравітаційних полях стають принципово важливими ефекти викривлення простору-часу, що сприяє необмеженому стиску ядра зірки і перетворення його в чорну дірку (рис. 3).
На закінчення зазначимо, що чорні діри, що утворилися в нашу епоху (наприклад, чорна діра в системі Лебідь X-1), строго кажучи, не є стовідсотковими чорними дірками, оскільки через релятивістське уповільнення ходу часу для далекого спостерігача обрії подій у них ще не сформувалися. Поверхні таких колапсуючих зірок виглядають для земного спостерігача як застиглі, що нескінченно довго наближаються до своїх горизонтів подій.
Щоб чорні дірки з таких об'єктів, що колапсують, сформувалися остаточно, ми повинні прочекати весь нескінченно великий час існування нашого Всесвіту. Слід підкреслити, однак, що вже в перші секунди релятивістського колапсу поверхня зірки, що колапсує, для спостерігача з Землі наближається дуже близько до горизонту подій, і всі процеси на цій поверхні нескінченно сповільнюються.
Поняття чорної діри відоме всім — від школяра до людей похилого віку, воно використовується у науковій та фантастичній літературі, у жовтих ЗМІ та на наукових конференціях. Але що конкретно є такі дірки, відомо далеко не всім.
З історії чорних дірок
1783Перша гіпотеза існування такого явища, як чорна діра, була висунута в 1783 англійським вченим Джоном Мічеллом. У своїй теорії він об'єднав два витвори Ньютона - оптику та механіку. Ідея Мічелла була такою: якщо світло — це потік найдрібніших частинок, то, як і всі інші тіла, частинки повинні відчувати тяжіння гравітаційного поля. Виходить, чим масивніша зірка, тим складніше світлу чинити опір її тяжінню. Через 13 років після Мічелла, французький астроном і математик Лаплас висунув (швидше за все, незалежно від британського колеги) схожу теорію.
1915 р.Проте, всі їхні праці залишалися незатребуваними до початку XX століття. В 1915 Альберт Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності і показав, що гравітація є викривлення простору-часу, викликане матерією, а через кілька місяців німецький астроном і фізик-теоретик Карл Шварцшильд використовував її для вирішення конкретної астрономічної задачі. Він досліджував структуру викривленого простору-часу навколо Сонця і наново відкрив феномен чорних дірок.
(Джон Уілер ввів у науковий побут термін "Чорні дірки")
1967 р.Американський фізик Джон Уілер описав простір, який можна скомкати, подібно до листка паперу, в нескінченно малу точку і позначив терміном "Чорна діра".
1974 р.Британський фізик Стівен Хокінг довів, що чорні дірки, хоч і поглащають метерію без повернення, можуть випромінювати і врешті-решт випаровуватися. Таке явище отримало назву "випромінювання Хокінга".
2013 р.Нові дослідження пульсарів і квазарів, і навіть відкриття реліктового випромінювання, нарешті уможливили описати саме поняття чорних дірок. У 2013 році газова хмара G2 наблизилася на дуже близьку відстань до чорної діри і швидше за все буде поглинена їй, спостереження за унікальним процесом дає величезні можливості для нових відкриттів особливостей чорних дірок.
(Масивний об'єкт Стрілець А*, його маса більша за Сонце в 4 млн разів, де мається на увазі скупчення зірок і утворення чорної діри)
2017 р. Група вчених із колоборації кількох країн Event Horizon Telescope, зв'язавши вісім телескопів з різних точок континентів Землі, проводили спостереження за чорною дірою, яка є надмасивним об'єктом і знаходиться в галактиці М87, сузір'я Діва. Маса об'єкта 6,5 млрд (!) сонячних мас, в гігантські рази більше за масивний об'єкт Стрілець А*, для порівняння діаметром трохи менше відстані від Сонця до Плутона.
Спостереження проводилися у кілька етапів, починаючи з весни 2017 року та на протязі періодів 2018 року. Обсяг інформації обчислювався петабайтами, які слід розшифрувати і отримати справжній знімок наддалекого об'єкта. Тому потрібно ще цілих два роки для досканальної обробки всіх даних і з'єднання їх в одне ціле.
2019 р.Дані були успішно розшифровані та наведені у вигляд, отримавши перше в історії зображення чорної діри.
(Перший в історії знімок чорної дірки в галактиці М87 в сузір'ї Діва)
Роздільна здатність зображення дозволяє побачити тінь точки неповернення в центрі об'єкта. Зображення отримано в результаті інтерферометричних спостережень із наддовгою базою. Це так звані синхронні спостереження одного об'єкта з декількох радіотелескопів, з'єднаних між собою мережею і що знаходяться в різних частинах земної кулі, спрямованих в один бік.
Чим насправді є чорні дірки
Лаконічне пояснення парадоксу звучить так.
>Чорна діра - це просторово-часова область, чиє гравітаційне тяжіння настільки велике, що її не може залишити жоден об'єкт, у тому числі світлові кванти.
Колись чорна дірка була масивною зіркою. Поки термоядерні реакції підтримують у надрах високий тиск, все залишається в нормі. Але згодом запас енергії виснажується і небесне тіло, під впливом своєї гравітації, починає стискатися. Завершальний етап цього процесу - схлопування зоряного ядра та утворення чорної дірки.
- 1. Викидання чорної дірою струменя на високій швидкості
- 2. Диск матерії переростає в чорну дірку
- 3. Чорна діра
- 4. Детальна схема регіону чорної дірки
- 5. Розмір знайдених нових спостережень
Найпоширеніша теорія свідчить, що подібні феномени є у кожній галактиці, зокрема й у центрі нашого Чумацького шляху. Величезна сила тяжіння діри здатна утримувати навколо себе кілька галактик, не даючи їм віддалятися один від одного. "Площа покриття" може бути різною, все залежить від маси зірки, яка перетворилася на чорну дірку, і може становити тисячі світлових років.
Радіус Шварцшільда
Головна властивість чорної діри - будь-яка речовина, яка в неї потрапила, ніколи не зможе повернутися. Те саме стосується і світла. По своїй суті дірки - це тіла, які повністю поглинають весь світло, що потрапляє на них, і не випускають власного. Такі об'єкти візуально можуть здаватися згустками абсолютної темряви.
- 1. Матерія, що рухається, в половину швидкості світла
- 2. Фотонне кільце
- 3. Внутрішнє фотонне кільце
- 4. Горизонт подій у чорній дірі
Відштовхуючись від Загальної теорії відносності Ейнштейна, якщо тіло наблизилося на критичну відстань до центру дірки, воно вже не зможе повернутися. Цю відстань називають радіусом Шварцшильда. Що саме відбувається всередині цього радіусу невідомо, але є найбільш поширена теорія. Вважається, що вся речовина чорної діри концентрується в нескінченно малій точці, а в її центрі знаходиться об'єкт з нескінченною щільністю, який вчені називають сингулярним обуренням.
Як відбувається падіння в чорну дірку
(На картинці чорна діра Стрільця А* виглядає вкрай яскравим скупченням світла)
Нещодавно, в 2011 році, вчені виявили газову хмару, давши їй нескладну назву G2, яка випромінює незвичайне світло. Таке світіння може давати тертя в газі та пилу, що викликається дією чорної діри Стрільця А* і які обертаються навколо неї як акреційний диск. Таким чином, ми стаємо спостерігачами дивовижного явища поглинання надмасивною чорною дірою газової хмари.
За останніми дослідженнями найбільше зближення із чорною дірою відбудеться у березні 2014 року. Ми можемо відтворити картину того, як буде це захоплююче видовище.
- 1. При першій появі в даних газова хмара нагадує величезну кулю з газу та пилу.
- 2. Зараз станом на червень 2013 року хмара знаходиться за десятки мільярдів кілометрів від чорної діри. Воно падає до неї зі швидкістю 2500 км/с.
- 3. Очікується, що хмара пройде повз чорну дірку, але приливні сили, спричинені різницею в тяжінні, що діє на передній і задній край хмари, змусять її набувати все більш витягнутої форми.
- 4. Після того, як хмара буде розірвана, більша її частина, швидше за все, увіллється в акреційний диск навколо Стрільця А*, породжуючи в ньому ударні хвилі. Температура при цьому підскочить до кількох мільйонів градусів.
- 5. Частина хмари впаде прямо в чорну дірку. Ніхто не знає точно, що станеться потім із цією речовиною, але очікується, що в процесі падіння воно випускатиме потужні потоки рентгенівських променів, і більше його ніхто не побачить.
Відео: чорна діра поглинає газову хмару
(Комп'ютерне моделювання того, як більшість газової хмари G2 буде зруйновано і поглинено чорною діркою Стрільцем А*)
Що там усередині чорної діри
Існує теорія, яка стверджує, що чорна діра всередині практично порожня, а вся її маса зосереджена в неймовірно маленькій точці, що знаходиться в самому її центрі - сингулярності.
Згідно з іншою теорією, що існує протягом півстоліття, все, що потрапляє в чорну дірку, переходить в інший всесвіт, що знаходиться в самій чорній дірі. Нині це теорія перестав бути основний.
І є третя, найсучасніша і живуча теорія, за якою все, що потрапляє в чорну дірку, розчиняється в коливаннях струн на її поверхні, яку позначають як горизонт подій.
Так що ж таке – обрій подій? Всередину чорної дірки не можна зазирнути навіть надпотужним телескопом, оскільки навіть світло, потрапляючи всередину гігантської космічної вирви, не має шансів виринути назад. Все, що можна хоч якось розглянути, знаходиться в її найближчих околицях.
Горизонт подій - це умовна лінія поверхні, з якої ніщо (ні газ, ні пил, ні зірки, ні світло) вийти вже не зможе. І ось це і є та сама таємнича точка неповернення в чорних дірах Всесвіту.
Розгляньте загадкові та невидимі чорні діриу Всесвіті: цікаві факти, дослідження Ейнштейна, надмасивні та проміжні типи, теорія, будова.
– одні з найцікавіших та найтаємничіших об'єктів у космічному просторі. Мають високу щільність, а гравітаційна сила настільки потужна, що навіть світла не вдається вирватися за її межі.
Вперше про чорні діри заговорив Альберт Ейнштейн у 1916 році, коли створив загальну теорію відносності. Сам термін виник у 1967 році завдяки Джону Уілеру. А першу чорну дірку «помітили» у 1971 році.
Класифікація чорних дірок включає три типи: чорні діри зоряної маси, надмасивні та чорні діри середньої маси. Обов'язково подивіться відео про чорні дірки, щоб дізнатися багато цікавих фактів та познайомитись із цими загадковими космічними формуваннями ближче.
Цікаві факти про чорні діри
- Якщо ви опинилися всередині чорної дірки, то гравітація вас розтягуватиме. Але боятися не потрібно, адже ви помрете ще до того, як досягнете сингулярності. Дослідження 2012 року припустили, що квантові ефекти перетворюють обрій подій на вогняну стіну, що зробила з вас купку попелу.
- Чорні дірки не «всмоктують». Цей процес викликається вакуумом, якого немає у цій освіті. Тож матеріал просто падає.
- Першою чорною діркою став Лебідь Х-1, знайдений ракетами із лічильниками Гейгера. 1971 року вчені отримали сигнал радіовипромінювання від Лебедя Х-1. Цей об'єкт став предметом суперечки між Кіпом Торном та Стівеном Хокінгом. Останній вважав, що це не темна діра. 1990 року він визнав свою поразку.
- Крихітні чорні дірки могли з'явитися одразу після Великого Вибуху. Простір, що стрімко обертається, стискав деякі області в щільні дірки, з меншою масивністю, ніж у Сонця.
- Якщо зірка підійде надто близько, її може розірвати.
- За загальним підрахунком, існує приблизно до мільярда зіркових чорних дірок з масою втричі більше за сонячну.
- Якщо порівнювати теорію струн та класичну механіку, то перша породжує більше різновидів потужних гігантів.
Небезпека чорних дірок
Коли зірка закінчує паливо, вона може запустити процес саморуйнування. Якщо її маса була втричі більше сонячної, то ядро, що залишилося, стане нейтронною зіркою або білим карликом. Але більша зірка трансформується в чорну дірку.
Такі об'єкти маленькі, але мають неймовірну щільність. Уявіть, що перед вами об'єкт, розміром у місто, але його маса втричі більша за сонячну. Це створює неймовірно величезну гравітаційну силу, яка притягує пил та газ, збільшуючи його розміри. Ви здивуєтеся, але може розташовуватися кілька сотень мільйонів зіркових чорних дір.
Надмасивні чорні дірки
Звісно, ніщо у Всесвіті не зрівняється зі страхітливими надмасивними чорними дірками. Вони перевершують сонячну масу у мільярди разів. Вважають, що такі об'єкти є практично у кожній галактиці. Вчені поки що не знають усіх тонкощів процесу формування. Швидше за все, вони виростають за рахунок накопичення маси з навколишнього пилу та газу.
Можливо, вони зобов'язані своїм масштабам злиття тисячі невеликих чорних дірок. Або ж могло зруйнуватися ціле зоряне скупчення.
Чорні дірки в центрах галактик
Астрофізик Ольга Сільченко про відкриття надмасивної чорної діри в туманності Андромеди, дослідженнях Джона Корменді та темних гравітуючих тілах:
Природа космічних радіоджерел
Астрофізик Анатолій Засов про синхротронне випромінювання, чорні діри в ядрах далеких галактик і нейтральний газ:
Проміжні чорні дірки
Нещодавно вчені знайшли новий вид - чорні дірки середньої маси (проміжні). Вони можуть формуватися, коли зірки у скупченні зіштовхуються, піддавшись ланцюгової реакції. У результаті падають у центр і формують надмасивну чорну дірку.
У 2014 році астрономи виявили проміжний тип у рукаві спіральної галактики. Їх дуже складно знайти, тому що можуть розташовуватись у непередбачуваних місцях.
Мікрочорні діри
Фізик Едуард Боос про безпеку ВАК, народження мікрочорної діри та поняття мембрани:
Теорія чорних дірок
Чорні дірки – надзвичайно масивні об'єкти, але охоплюють порівняно скромний обсяг простору. Крім того, мають величезну гравітацію, не дозволяючи об'єктам (і навіть світлу) покинути їхню територію. Однак, безпосередньо побачити їх неможливо. Дослідникам доводиться звертатися до випромінювання, що з'являється, коли чорна діра живиться.
Цікаво, але буває так, що речовина, що прямує до чорної діри, відскакує від обрії подій і викидається назовні. При цьому формуються яскраві струмені матеріалу, що пересуваються на релятивістських швидкостях. Ці викиди можна зафіксувати на великих дистанціях.
– дивовижні об'єкти, в яких сила тяжіння настільки величезна, що може згинати світло, деформувати простір та спотворювати час.
У чорних дірах можна виділити три шари: зовнішній та внутрішній горизонт подій та сингулярність.
Горизонт подій чорної дірки – кордон, де у світла зникають усі шанси на втечу. Як тільки частка переходить цей рубіж, вона не зможе піти. Внутрішня область, де є маса чорної дірки, називається сингулярністю.
Якщо ми говоримо з позиції класичної механіки, то нічого не може залишити чорну дірку. Але квантова робить свою поправку. Справа в тому, що кожна частка має античастинку. Вони мають однакові маси, але різний заряд. Якщо перетнулися, то можуть анігілювати один одного.
Коли така пара виникає поза горизонту подій, то одна з них може втягнутися, а друга відштовхнеться. Через це обрій здатний зменшитися, а чорна діра зруйнуватися. Вчені досі намагаються вивчити цей механізм.
Аккреція
Астрофізик Сергій Попов про надмасивні чорні діри, утворення планет і акрецію речовини в ранньому Всесвіті:
Найбільш відомі чорні дірки
Часті питання про чорні діри
Якщо більш ємно, то чорна діра - певна ділянка в космосі, в якому сконцентровано таку величезну кількість маси, що жодному об'єкту не вдається уникнути гравітаційного впливу. Коли йдеться про гравітацію, ми покладаємось на загальну теорію відносності, запропоновану Альбертом Ейнштейном. Щоб розібратися в деталях об'єкта, що вивчається, будемо рухатися поетапно.
Давайте уявимо, що ви знаходитесь на поверхні планети і підкидаєте бруківку. Якщо ви не маєте сили Халка, то не зможете прикласти достатньо сили. Тоді камінь підніметься на певну висоту, але під тиском гравітації впаде назад. Якщо ж у вас є прихований потенціал зеленого силача, то ви здатні надати об'єкту достатнього прискорення, завдяки якому він покине зону гравітаційного впливу. Це називається "швидкість тікання".
Якщо розбити на формулу, ця швидкість залежить від планетарної маси. Чим вона більша, тим потужніше гравітаційне захоплення. Швидкість вильоту покладатиметься на те, де саме ви знаходитесь: чим ближче до центру, тим простіше вибратися. Швидкість вильоту нашої планети – 11.2 км/с, тоді як – 2.4 км/с.
Наближаємося до найцікавішого. Припустимо, у вас є об'єкт з неймовірною концентрацією маси, зібраної в крихітному місці. У такому разі швидкість втікання перевищує швидкість світла. А ми знаємо, що ніщо не рухається швидше за цей показник, а значить, ніхто не зможе подолати таку силу і втекти. Навіть світловому променю це не під силу!
Ще у 18 столітті Лаплас розмірковував над надзвичайною концентрацією маси. Після загальної теорії відносності Карл Шварцшільд зміг знайти математичне рішення для рівняння теорії, щоб описати подібний об'єкт. Далі свій внесок внесли Оппенгеймер, Волькофф і Снайдер (1930-ті рр.). З того моменту люди почали обговорювати цю тему всерйоз. Стало зрозуміло: коли в масивної зірки закінчується паливо, вона не здатна протистояти силі гравітації і повинна впасти в чорну дірку.
Теоретично Ейнштейна гравітація виступає проявом кривизни у просторі та часу. Справа в тому, що звичайні геометричні правила тут не працюють і масивні об'єкти спотворюють простір-час. Чорна діра має химерні властивості, тому її спотворення видно найвиразніше. Наприклад, об'єкт має «горизонт подій». Це поверхня сфери, що відзначає межу дірки. Тобто, якщо ви переступите цю межу, то дороги назад немає.
Якщо буквально, це місце, де швидкість втікання прирівнюється до світловий. Поза цим місцем швидкість втікання поступається швидкості світла. Але якщо ваша ракета здатна розігнатися, енергії вистачить на втечу.
Сам обрій досить дивний з погляду геометрії. Якщо ви розташовані далеко, то здасться, що дивіться на статичну поверхню. Але якщо підійти ближче, то приходить усвідомлення, що вона рухається назовні зі світловою швидкістю! Тепер зрозуміло чому легко увійти, але так складно втекти. Так, це дуже заплутано, адже фактично обрій стоїть на місці, але водночас і мчить зі швидкістю світла. Це як у ситуації з Алісою, якій треба було бігти якнайшвидше, щоб просто залишитися на місці.
При попаданні в горизонт, простір та час переживають таке сильне спотворення, що координати починають описувати ролі радіальної відстані та часу перемикання. Тобто «r», що відзначає дистанцію від центру, стає тимчасовою, а за «простор» тепер відповідає «t». В результаті, ви не зможете перестати пересуватися з меншим показником r, як і не здатні у звичайному часі потрапити у майбутнє. Ви прийдете до сингулярності, де r = 0. Можна викидати ракети, запускати двигун на максимум, але вам не втекти.
Термін «чорна діра» вигадав Джон Арчібальд Вілер. До цього їх називали «остиглими зірками».
Фізик Еміль Ахмедов про вивчення чорних дірок, Карла Шварцшильда та гігантських чорних дірок:
Існує два способи вирахувати, наскільки щось велике. Можна назвати масу чи яку величину займає ділянку. Якщо брати перший критерій, то немає конкретної межі масивності темної дірки. Можна використовувати будь-яку кількість, якщо ви здатні стиснути її до потрібної густини.
Більшість цих утворень з'явилася після смерті масивних зірок, тому можна очікувати, що їхня вага має бути рівнозначною. Типова маса для такої дірки повинна бути в 10 разів більша за сонячну – 10 31 кг. Крім того, в кожній галактиці повинна проживати центральна надмасивна чорна діра, маса якої перевищує сонячну в мільйон разів - 10 36 кг.
Чим масивніше об'єкт, тим більше маси охоплює. Радіус горизонту і маса прямо пропорційні, тобто, якщо чорна діра важить у 10 разів більше за іншу, то і її радіус у 10 разів більший. Радіус діри із сонячною масивністю дорівнює 3 км, а якщо в мільйон разів більше, то 3 мільйони км. Здається, що це надзвичайно потужні речі. Але не забуватимемо, що для астрономії це стандартні поняття. Сонячний радіус досягає 700000 км, а у чорної діри у 4 рази більше.
Припустимо, що вам не пощастило і ваш корабель невблаганно рухається до надмасивної чорної діри. Нема рації боротися. Ви просто вимкнули двигуни і йдете назустріч неминучому. Чого чекати?
Почнемо з невагомості. Ви перебуваєте у вільному падінні, тому екіпаж, корабель і всі деталі невагомі. Чим ближче до центру отвору, тим сильніше відчуваються приливні гравітаційні сили. Наприклад, ваші ноги ближчі до центру, ніж голова. Тоді вам починає здаватися, що вас розтягують. У результаті вас просто розірве на частини.
Ці сили непомітні, поки ви не підійде на віддаленість 600000 км від центру. Це вже після межі горизонту. Але ми говоримо про величезний об'єкт. Якщо ви падаєте в дірку із сонячною масою, то приливні сили охопили б вас за 6000 км від центру і розірвали до того, як ви підійшли до горизонту (тому ми відправляємо вас у велику, щоб змогли померти вже всередині дірки, а не на підході) .
Що всередині? Не хочеться розчаровувати, але нічого примітного. Деякі об'єкти можуть спотворюватися на вигляд і більше нічого незвичайного. Навіть після переходу горизонту ви бачитимете речі навколо себе, тому що вони рухаються з вами.
Скільки на все це знадобиться часу? Все залежить від вашої віддаленості. Наприклад, ви почали з точки спокою, де сингулярність у 10 разів більша за радіус діри. Для підходу до горизонту потрібно лише 8 хвилин, а потім ще 7 секунд, щоб увійти в сингулярність. Якщо падаєте в маленьку чорну дірку, все відбудеться швидше.
Як тільки переступите обрій, можете стріляти ракетами, кричати і плакати. На все це у вас 7 секунд, доки не потрапите в сингулярність. Але нічого вже не врятує. Тому просто насолоджуйтесь поїздкою.
Допустимо, ви приречені і падаєте в дірку, а ваш друг/подруга спостерігає за цим здалеку. Ну, він побачить усе інакше. Зауважить, що ближче до горизонту ви уповільните свій хід. Але навіть якщо людина просидить сотню років, вона так і не дочекається, коли ви досягнете горизонту.
Спробуємо пояснити. Чорна діра могла з'явитися з зірки, що колапсує. Оскільки матеріал руйнується, то Кирило (нехай буде вашим другом) бачить його зменшення, але ніколи не помітить підходу до горизонту. Саме тому їх називали «замороженими зірками», адже здається, ніби вони замерзають із певним радіусом.
У чому ж справа? Назвемо це оптичною ілюзією. Для формування діри не потрібна нескінченність, як і переходу через горизонт. У міру вашого підходу світла потрібно більше часу, щоб дістатися Кирила. Якщо точніше, то випромінювання реального часу від вашого переходу зафіксується біля горизонту надовго. Ви вже давно переступили за лінію, а Кирило все ще спостерігає світловий сигнал.
Або ж можна підійти з іншого боку. Час тягнеться довше біля обрію. Наприклад, ви маєте суперпотужний корабель. Вам вдалося наблизитися до горизонту, побути там кілька хвилин і вибратися живим до Кирила. Кого ж ви побачите? Старого! Адже для вас час йшов набагато повільніше.
Що тоді правда? Ілюзія чи гра часу? Все залежить від системи координат при описі чорної діри. Якщо покладатися на координати Шварцшильда, при перетині горизонту тимчасова координата (t) прирівнюється до нескінченності. Але показники цієї системи надають розмите уявлення про те, що відбувається біля самого об'єкта. У лінії горизонту всі координати спотворюються (сингулярність). Але ви можете використовувати обидві системи координат, тому дві відповіді мають силу.
Насправді ви просто станете невидимкою, і Кирило перестане вас бачити ще до того, як мине багато часу. Не варто забувати про червоне зміщення. Ви випромінюєте спостерігається світло на певній хвилі, але Кирило побачить його на довшій. Хвилі подовжуються в міру наближення до горизонту. Крім того, не варто забувати, що випромінювання відбувається у певних фотонах.
Наприклад, у момент переходу ви відправите останній фотон. Він досягне Кирила в певний кінцевий час (приблизно годину для надмасивної чорної дірки).
Звичайно, ні. Не забувайте про існування обрії подій. Тільки з цієї області ви не можете вибратися. Досить просто не наближатися до неї та почувайтеся спокійно. Більш того, з безпечної відстані вам цей об'єкт буде звичайним.
Інформаційний парадокс Хокінга
Фізик Еміль Ахмедов про дію гравітації на електромагнітні хвилі, інформаційний парадокс чорних дірок та принцип передбачуваності в науці:
Не панікуйте, тому що Сонцю ніколи не трансформуватись у подібний об'єкт, тому що йому просто не вистачить маси. Тим більше, що воно зберігатиме свій теперішній зовнішній вигляд ще 5 мільярдів років. Потім перейде до етапу червоного гіганта, поглинувши Меркурій, Венеру і добре підсмаживши нашу планету, а потім стане звичайним білим карликом.
Але давайте віддамося фантазії. Отже, Сонце стало чорною діркою. Почнемо з того, що відразу нас укутає темрява та холод. Земля та інші планети не всмоктуватимуться у дірку. Вони продовжать обертатися навколо нового об'єкту за звичайними орбітами. Чому? Тому що горизонт досягатиме всього 3 км, і гравітація нічого не зможе з нами зробити.
Так. Звісно, ми можемо покладатися на видиме спостереження, оскільки світла не вдається вирватися. Але є непрямі докази. Наприклад, ви бачите ділянку, де може бути чорна діра. Як це перевірити? Почніть із вимірювання маси. Якщо видно, що в одній області її занадто багато або вона ніби непомітна, то ви на вірному шляху. Є дві точки пошуку: галактичний центр та подвійні системи з рентгенівським випромінюванням.
Таким чином, у 8 галактиках знайшли масивні центральні об'єкти, маса яких ядер коливається від мільйона до мільярда сонячних. Масу обчислюють через спостереження за швидкістю обертання зірок та газу навколо центру. Чим швидше, тим більше має бути маса, щоб утримати їх на орбіті.
Ці масивні об'єкти вважають чорними дірками із двох причин. Ну, просто немає варіантів. Немає нічого масивнішого, темнішого і компактнішого. До того ж є теорія, що у всіх активних та великих галактиках у центрі ховається такий монстр. Але все ж таки це не 100% докази.
Але на користь теорії кажуть дві останні знахідки. Біля найближчої активної галактики помітили систему «водяного мазера» (потужне джерело мікрохвильового випромінювання) біля ядра. За допомогою інтерферометра вчені відобразили розподіл газових швидкостей. Тобто, вони виміряли швидкість у межах половини світлового року у галактичному центрі. Це допомогло їм зрозуміти, що всередині розташований масивний об'єкт, радіус якого досягає половини світлового року.
Друга знахідка переконує ще більше. Дослідники за допомогою рентгена натрапили на спектральну лінію галактичного ядра, що вказує на присутність поряд атомів, швидкість руху яких неймовірно висока (1/3 світловий). Крім того, випромінювання відповідало червоному зсуву, що відповідає горизонту чорної дірки.
Ще один клас можна знайти в Чумацькому Шляху. Це зіркові чорні дірки, що формуються після вибуху наднової. Якби вони існували окремо, то навіть поблизу ми навряд чи її помітили б. Але нам щастить, адже більшість існує у подвійних системах. Їх легко відшукати, тому що чорна діра тягтиме масу свого сусіда і впливатиме на нього гравітацією. "Вирваний" матеріал формує акреційний диск, в якому все нагрівається, а значить, створює сильне випромінювання.
Припустимо, вам удалося знайти подвійну систему. Як зрозуміти, що компактний об'єкт є чорною діркою? Знову звертаємось до маси. Для цього виміряйте орбітальну швидкість сусідньої зірки. Якщо маса неймовірно величезна за таких малих розмірів, то варіантів не залишається.
Це складний механізм. Подібну тему Стівен Хокінг торкнувся ще 1970-х років. Він казав, що чорні дірки не зовсім «чорні». Там є квантово-механічні ефекти, що змушують її створювати випромінювання. Поступово дірка починає стискатися. Швидкість випромінювання зростає із зменшенням маси, тому діра випромінює все більше і прискорює процес стиснення, доки не розчиниться.
Однак це лише теоретична схема, адже ніхто не може точно сказати, що відбувається на останньому етапі. Дехто думає, що залишається невеликий, але стабільний слід. Сучасні теорії не вигадали поки що нічого кращого. Але сам процес неймовірний та складний. Доводиться обчислювати параметри у викривленому просторі-часі, а самі результати не піддаються перевірці у звичних умовах.
Тут можна скористатися Законом збереження енергії, але для коротких тривалостей. Всесвіт може створювати енергію та масу з нуля, але вони повинні швидко зникати. Один із проявів – вакуумні флуктуації. Пари частинок та античастинок виростають з нізвідки, існують певний недовгий термін та гинуть у взаємному знищенні. При появі енергетичний баланс порушується, але все відновлюється після зникнення. Здається фантастикою, але цей механізм підтверджено експериментально.
Допустимо, одна з вакуумних флуктуацій діє біля горизонту чорної дірки. Можливо, одна з частинок падає усередину, а друга тікає. Той, хто втік, забирає з собою частину енергії дірки і може потрапити на очі спостерігачеві. Йому здасться, що чорний об'єкт просто випустив частку. Але процес повторюється, і ми бачимо безперервний потік випромінювання із чорної діри.
Ми вже говорили, що Кирилу здається, ніби вам потрібна нескінченність, щоб переступити через лінію горизонту. Крім того, згадувалося, що чорні дірки випаровуються через кінцевий часовий проміжок. Тобто, коли ви досягнете горизонту, дірка зникне?
Ні. Коли ми описували спостереження Кирила, ми не говорили про процес випаровування. Але якщо цей процес присутній, то все змінюється. Ваш друг побачить, як ви перелетите через обрій саме в момент випаровування. Чому?
Над Кирилом панує оптична ілюзія. Випромінюваному світлу в горизонті подій потрібно багато часу, щоб дістатися друга. Якщо діра триває вічно, то світло може йти нескінченно довго, і Кирило не діждеться переходу. Але, якщо дірка випарувалася, то світло вже ніщо не зупинить, і воно дістанеться хлопця в момент вибуху випромінювання. Але вам уже байдуже, адже ви давно загинули у сингулярності.
У формулах загальної теорії відносності є цікава особливість – симетричність у часі. Наприклад, у будь-якому рівнянні ви можете уявити, що час тече назад і отримаєте інше, але все ж таки правильно, рішення. Якщо застосувати цей принцип до чорних дірок, то народжується біла дірка.
Чорна діра – певна область, з якої нічого не може вибратися. Але другий варіант, це біла дірка, в яку ніщо не може впасти. Фактично вона все відштовхує. Хоча, з математичної точки зору, все виглядає гладко, але це не доводить їхнє існування в природі. Швидше за все їх немає, як і способу це з'ясувати.
До цього моменту ми говорили про класику чорних дірок. Вони не обертаються і не мають електричного заряду. А ось у протилежному варіанті починається найцікавіше. Наприклад, ви можете потрапити усередину, але уникнути сингулярності. Більше того, її «начинка» здатна контактувати з білою діркою. Тобто ви потрапите у своєрідний тунель, де чорна діра – вхід, а біла – вихід. Подібну комбінацію називають червоточиною.
Цікаво, що біла дірка може бути в будь-якому місці, навіть у іншому Всесвіті. Якщо керувати такими червоточинами, то ми забезпечимо швидке транспортування в будь-яку область простору. А ще крутіше – можливість подорожей у часі.
Але не пакуйте рюкзак, поки не дізнаєтесь кілька моментів. На жаль, велика ймовірність, що таких формувань немає. Ми вже говорили, що білі дірки – висновок із математичних формул, а не реальний та підтверджений об'єкт. Та й усі чорні діри, що спостерігаються, створюють падіння матерії і не формують червоточин. І кінцева зупинка – сингулярність.
ЧОРНА ДІРА
область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її покинути. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; фізичні процеси, що відбуваються всередині чорної діри, не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина та випромінювання вільно падає крізь неї у чорну дірку, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій". Оскільки досі є лише непрямі вказівки на існування чорних дірок на відстанях у тисячі світлових років від Землі, наш виклад грунтується головним чином 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. 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.
Утворення чорних дірок.Поки що у надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під впливом власної гравітації. Однак згодом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що й маса зірки вбирається у трьох мас Сонця, вона виграє " битву з гравітацією " : її гравітаційний колапс буде зупинено тиском " виродженого " речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик чи нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під обрій подій, ставши чорною діркою. У сферичної чорної діри маси M горизонт подій утворює сферу з колом по екватору в 2p разів більшу 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 стиснення почне сповільнюватися, доки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, буде слабнути і червоніти, поки не згасне зовсім. Це відбувається тому, що у 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 втратять свою енергію). Отже, астроном ніколи не дочекається цього моменту і тим більше не побачить того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій. Але теоретично цей процес можна досліджувати. Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий час зірка стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності та тяжіння. Таку точку називають "сингулярністю". Понад те, загальний математичний аналіз показує, що й виник обрій подій, навіть несферичний колапс призводить до сингулярності. Однак усе це вірно лише тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна до дуже маленьких просторових масштабів, у яких ми що впевнені. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації поки що не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а от запобігти появі сингулярності вони могли б. Сучасна теорія зоряної еволюції і наші знання про зоряне населення Галактики вказують, що серед 100 млрд. її зірок має бути близько 100 млн. чорних дірок, що утворилися при колапс найпотужніших зірок. До того ж чорні дірки дуже великої маси можуть бути в ядрах великих галактик, у тому числі й нашій. Як уже зазначалося, в нашу епоху чорною дірою може стати лише маса, яка більш ніж утричі перевищує сонячну. Проте одразу після Великого вибуху, з якого прибл. 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 горизонт подій формується завжди. Однак при сильному відхиленні від сферичної симетрії колапс зірки може призвести до утворення області з нескінченно сильною гравітацією, але не оточеною 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 в чорну дірку за малу частку секунди (по годинах віддаленого спостерігача) всі її зовнішні особливості, пов'язані з неоднорідністю вихідної зірки, випромінюються як 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 середовища частинки протилежного знака, і її заряд швидко стане нульовим. Стаціонарний об'єкт, що залишився, або буде "шварцшильдовою чорною дірою", що не обертається, яка характеризується тільки масою, або "керрівською чорною дірою, що обертається", яка характеризується масою і моментом імпульсу. Єдиність зазначених вище типів стаціонарних чорних дірок була підтверджена рамках загальної теорії відносності У. Ізраелем, Б. Картером, З. Хокингом і 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, раховані з будь-яких фізичних годин та лінійок. Наприклад, роль годинника може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна назвати "інтервалом часу". Чудово, що гравітація діє всі фізичні системи однаково: весь годинник показує, що час сповільнюється, проте 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 гравітаційними силами припливу, 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 діри ніколи не зменшується, якщо не враховувати квантове народження частинок. Дж. Бекенстейн в 1973 припустив, що чорні дірки підпорядковуються тим самим фізичним законам, як і фізичні тіла, що випускають і поглинають випромінювання (модель " абсолютно чорного тіла " ). Під впливом цієї ідеї Хокінг у 1974 році показав, що чорні діри можуть випромінювати речовину та випромінювання, але помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої чорної діри відносно невелика. Такі чорні діри 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 дірою, 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 у межах загальної теорії відносності Ейнштейна вказують лише з можливість існування чорних дірок, але не доводять їх наявності у світі; Відкриття справжньої чорної діри стало б важливим кроком у 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. Сконцентрувавшись навколо чорної діри, зірки повинні утворити центральні списи 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 у подвійних системах, де вона в парі із нормальною зіркою може звертатися навколо загального центру мас. По періодичному доплерівському зсуву ліній у діапазоні зірки можна зрозуміти, що вона звертається у 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, що 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'єкта. 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-3, розташованої у Великій Магеллановій Хмарі, всі вони знаходяться в нашій Галактиці на відстані 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 якої не може вирватися ні речовина, ні випромінювання, іншими словами, перша космічна швидкість перевершує швидкість світла. Кордон цієї ділянки називається горизонтом подій. Науково-технічний енциклопедичний словник
Косміч. об'єкт, що виникає внаслідок стиснення тіла гравітації. силами до розмірів, менших за його гравітаційний радіус rg=2g/c2 (де М маса тіла, G гравітації. постійна, з чисельним значенням швидкості світла). Пророцтво про існування в ... Фізична енциклопедія
Таку назву вона отримала через те, що поглинає світло, але не відображає його, як інші об'єкти. Насправді фактів про чорні діри існує безліч, і про деякі найцікавіші ми сьогодні розповімо. До відносно недавнього часу вважалося, що чорна діра в космосівсмоктує все, що поруч із нею перебуває чи пролітає: планети сміття, проте, нещодавно вчені стали стверджувати - вміст згодом «випльовується» назад, лише у іншому вигляді. Якщо вас цікавлять чорні дірки у космосі цікаві фактипро них ми сьогодні розповімо докладніше.
Чи існує загроза Землі?
Є дві чорні дірки, які можуть становити реальну загрозу нашій планеті, але вони знаходяться, на щастя, для нас далеко на відстані приблизно 1600 світлових років. Вчені змогли виявити ці об'єкти лише тому, що знаходилися вони поблизу Сонячної Системи та спеціальні прилади, що вловлюють рентгенівські промені, змогли їх побачити. Існує припущення, що величезна сила гравітації здатна вплинути на чорні дірки таким чином, що вони зіллються в одну.
Навряд чи хтось із сучасників зможе застати той момент, коли ці таємничі об'єкти зникнуть. Настільки повільно відбувається процес загибелі дірок.
Чорна діра - це зірка у минулому
Як утворюються чорні дірки у космосі? Зірки мають значний запас термоядерного палива, через що вони і світяться так яскраво. Але всі ресурси закінчуються, і зірка охолоджується, поступово втрачаючи своє світіння і перетворюючись на чорного карлика. Відомо, що в остиглій зірці відбувається процес стиснення, в результаті вона вибухає, а її частки розлітаються на великі відстані в космосі, притягуючи сусідні об'єкти, тим самим збільшуючи розмір чорної дірки.
Найцікавіше про чорні дірки в космосінам ще належить вивчити, але дивно, щільність її, незважаючи на значні розміри, може дорівнювати щільності повітря. Це говорить про те, що навіть найбільші об'єкти космосу можуть мати таку саму вагу, як повітря, тобто бути неймовірно легкими. Ось як з'являються чорні дірки в космосі.
Час у самій чорній дірі й біля тече дуже повільно, тому об'єкти, що пролітають поруч, уповільнюють свій рух. Причиною всьому величезна сила гравітації, ще дивовижний факт, всі процеси, що відбуваються в самій дірі, мають неймовірну швидкість. Допустимо, якщо спостерігати за тим як виглядає чорна діра в космосі, перебуваючи за межами всепоглинаючої маси, здається, що все стоїть на місці. Однак варто тільки потрапити всередину об'єкту, його миттєво розірвало б. Сьогодні нам показують, як виглядає чорна діра в космосі., змодельована спеціальними програмами.
Визначення чорної дірки?
Тепер ми знаємо звідки беруться чорні дірки у космосі. Але що в них особливого? Сказати, що чорна діра - це планета чи зірка неможливо апріорі, бо це тіло не газове та не тверде. Це об'єкт, який здатний спотворювати не лише ширину, довжину та висоту, а й тимчасову шкалу. Що не піддається фізичним законам. Вчені стверджують, що час у районі обрії просторової одиниці може рухатися вперед і назад. Що знаходиться в чорній дірі у космосінеможливо уявити, світлові кванти, що потрапляють туди, множаться у кілька разів на масу сингулярності, цей процес збільшує міць гравітаційної сили. Тому, якщо взяти із собою ліхтарик і вирушити чорну дірку, світитися він не буде. Сингулярність - точка, у якій усе прагне нескінченності.
Структура чорної діри - це сингулярність та обрій подій. Усередині сингулярності фізичні теорії повністю втрачають свій сенс, тому досі вона залишається загадкою для вчених. Перетинаючи кордон (горизонт подій), фізичний об'єкт втрачає можливість повернутися. Ми знаємо далеко не все про чорні діри в космосіАле інтерес до них не згасає.