Чорна діра.

ЧОРНА ДІРА, область в просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світ, ні інші носії інформації не можуть її покинути. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту.

ЧОРНА ДІРА, область в просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світ, ні інші носії інформації не можуть її покинути. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; відбуваються всередині чорної діри фізичні процеси не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина і випромінювання вільно падає крізь неї в чорну діру, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають «горизонтом подій». Оскільки до цих пір є лише непрямі вказівки на існування чорних дірок на відстанях в тисячі світлових років від Землі, наше подальший виклад грунтується головним чином на теоретичних результатах. Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном у 1915) та іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р. Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. Але властивості простору і часу в околиці цих об'єктів виявилися настільки незвичайними, що астрономи і фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Однак астрономічні відкриття в середині 1960-х років змусили поглянути на чорні діри як на можливу фізичну реальність. Їх відкриття і вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір і час. Утворення чорних дір. Поки в надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під дією власної гравітації. Проте з часом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що якщо маса зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона виграє «битву з гравітацією»: її гравітаційний колапс буде зупинений тиском «виродженого» речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою. У сферичної чорної діри маси M горизонт подій утворює сферу з окружністю по екватору в 2p разів більшою «гравітаційного радіуса» 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 буде спостерігати 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, поки не зупиниться зовсім. При цьому приходить від зірки світло буде слабшати і червоніти, поки не згасне зовсім. Це відбувається тому, що в боротьбі з гігантською силою тяжіння світло втрачає енергію і йому потрібно все більше часу, щоб досягти спостерігача. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіуса, яка покинула її світлу буде потрібно 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 дослідити можна. Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий час зірка стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку точку називають «сингулярність». Більш того, загальний математичний аналіз показує, що якщо виник горизонт подій, то навіть несферичних колапс приводить до сингулярності. Однак все це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна аж до дуже маленьких просторових масштабів, в чому ми поки не впевнені. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще не створено. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а ось запобігти появі сингулярності вони могли б. Сучасна теорія зоряної еволюції і наші знання про зоряне населенні Галактики вказують, що серед 100 млрд. її зірок має бути порядку 100 млн. чорних дір, що утворилися при колапсі самих масивних зірок. До того ж чорні діри дуже великої маси можуть знаходитися в ядрах крупних галактик, в тому числі і нашої. Як вже зазначалося, в нашу епоху чорною дірою може стати лише маса, більш ніж втричі перевищує сонячну. Проте відразу після Великого вибуху, з якого ок. 15 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, могли народжуватися чорні діри будь-якої маси. Найменші з них в силу квантових ефектів повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. Але «первинні чорні діри» з масою більше 1015 г могли зберегтися до наших днів. Всі розрахунки колапсу зірок робляться в припущенні слабкої 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 оточеній горизонтом подій; її називають «голої сингулярність». Це вже не чорна діра в тому сенсі, як ми обговорювали вище. Фізичні закони поблизу голою сингулярності можуть мати досить несподіваний вигляд. В даний час гола сингулярність розглядається як малоймовірний об'єкт, тоді як в існування чорних дір вірить більшість астрофізиків. Властивості чорних дір. Для стороннього спостерігача структура чорної дірки виглядає надзвичайно простий. 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 у вигляді гравітаційних і електромагнітних хвиль. Новоутворена стаціонарна чорна діра «забуває» всю інформацію про вихідної зірку, крім трьох величин: повної маси, моменту імпульсу (пов'язаного з обертанням) і електричного заряду.


Вивчаючи чорну діру, вже не дізнатися, складалася чи вихідна зірка з речовини або антиречовини, чи мала вона форму сигари або млинця і т.п. У реальних астрофізичних умовах заряджена чорна діра буде притягувати до себе з міжзоряного середовища частки протилежного знаку, і її заряд швидко стане нульовим. Що залишився стаціонарний об'єкт або буде невращающейся «шварцшільдовой чорною дірою», яка характеризується тільки масою, або обертається «керровской чорною дірою», яка характеризується масою і моментом імпульсу. Єдиність зазначених вище типів стаціонарних чорних дір була доведена в рамках загальної теорії відносності В. Ізраель, Б. Картером, С. Хокінгом і Д. Робінсоном. Відповідно до загальної теорії відносності, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дір. Коли фізики говорять про інтервали часу і простору, вони мають на увазі числа, лічені з будь-яких фізичних годин і лінійок. Наприклад, роль годин може грати молекула з певною частотою коливань, кількість яких між двома подіями можна назвати «інтервалом часу». Чудово, що гравітація діє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час уповільнюється, а всі лінійки - що простір розтягується поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору і часу. Далеко від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Далеко від чорної діри її полі тяжіння в точності описується теорією Ньютона для тіла такий ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж пророкує ньютонова теорія. Будь-яке тіло, що падає на чорну діру, задовго до перетину горизонту подій буде розірвано на частини потужними приливними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру. Чорна діра завжди готова поглинути речовина або 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 квантового народження частинок. Дж. Бекенстейн в 1973 припустив, що чорні діри підкоряються тим же фізичним законам, що й фізичні тіла, що випускають і поглинають випромінювання (модель «абсолютно чорного тіла»). Під впливом цієї ідеї Хокінг в 1974 показав, що чорні діри можуть випускати речовина і випромінювання, але помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої чорної діри відносно невелика. Такі чорні діри могли народжуватися відразу після Великого вибуху, з якого почалося розширення Всесвіту. Маси цих первинних чорних дір повинні бути не більше 1015 г (як у невеликого астероїда), а розмір 10-15 м (як у протона або нейтрона). Потужне гравітаційне поле поблизу чорної діри народжує пари частинка-античастинка; одна з частинок кожної пари поглинається дірою, а друга випускається назовні. Чорна діра з масою 1015 г має вести себе як тіло з температурою 1011 К. Ідея про «випаровуванні» чорних дір повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, не здатних випромінювати. Пошук чорних дір. Розрахунки в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна вказують лише на можливість існування чорних дір, але аж ніяк не доводять їх наявності в реальному світі; відкриття цієї чорної діри стало б важливим кроком у розвитку фізики. Пошук ізольованих чорних дір у космосі безнадійно важкий: ми не зможемо помітити маленький темний об'єкт на тлі космічної чорноти. Але є надія знайти чорну діру по її взаємодії з оточуючими астрономічними тілами, за її характерному впливу на них. Надмасивні чорні діри можуть знаходитися в центрах галактик, безперервно пожираючи там зірки. Сконцентрувавшись навколо чорної діри, зірки повинні утворити центральні піки яскравості в ядрах галактик, їх пошуки зараз активно ведуться. Інший метод пошуку полягає у вимірюванні швидкості руху зірок і газу навколо центрального об'єкта в галактиці. Якщо відомо їх відстань від центрального об'єкта, то можна обчислити його масу і середню щільність. Якщо вона істотно перевершує щільність, можливу для зоряних скупчень, то вважають, що це чорна діра. Цим способом в 1996 Дж. Моран з колегами визначили, що в центрі галактики NGC 4258, ймовірно, знаходиться чорна діра з масою 40 млн. сонячних. Найбільш перспективним є пошук чорної діри в подвійних системах, де вона в парі з нормальною зіркою може обертатися навколо загального центру мас. За періодичному доплеровскому зміщення ліній у спектрі зірки можна зрозуміти, що вона звертається в парі з якимсь тілом і навіть оцінити масу останнього. Якщо ця маса перевищує 3 маси Сонця, а помітити випромінювання самого тіла не вдається, то дуже можливо, що це чорна діра. У компактній подвійній системі чорна діра може захоплювати газ з поверхні нормальної зірки. Рухаючись по орбіті навколо чорної діри, цей газ утворює диск і, наближаючись по спіралі до чорної діри, сильно нагрівається і стає джерелом потужного рентгенівського випромінювання. Швидкі флуктуації цього випромінювання повинні вказувати, що газ стрімко рухається по орбіті невеликого радіусу навколо крихітного масивного об'єкта. З 1970-х років виявлено кілька рентгенівських джерел в подвійних системах з явними ознаками присутності чорних дір. 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 перебувають у 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 Великому Магелланова Хмарі, всі вони перебувають у нашій Галактиці на відстанях близько 8000 св. років від Землі.