Фізика всесвіту та чорні дірки. Відео: чорна діра поглинає газову хмару

Спеціально для розділу РІА Наука >>

Майкл Фінкель (Michael Finkel)

Відведемо годинник тому. До появи людини, до появи Землі, до займання Сонця, до народження галактик, до того, як засяяло світло, був «великий вибух». Сталося це 13,8 мільярда років тому.

Але що було раніше? Багато фізиків говорять, що «до цього» не існує. Вони стверджують, що час почав свій відлік у момент «великого вибуху», вважаючи, що все, що існувало раніше, не входить у сферу науки. Ми ніколи не зрозуміємо, якою була дійсність до «великого вибуху», з чого він сформувався і чому стався, щоб створити наш Всесвіт. Такі уявлення перебувають поза людського розуміння.

Але деякі чужі умовностям вчені не згодні. Ці фізики будують теорії про те, що за мить до «великого вибуху» вся маса і енергія всесвіту, що народжувався, стиснулася в одну неймовірно щільну, але має свої межі крупинку. Назвемо її насінням нового всесвіту.

Вони вважають, що це насіння було неймовірно крихітним, можливо, в трильйони разів менше за будь-яку частинку, яку могла спостерігати людина. І тим не менш ця частка дала поштовх появі всіх інших частинок, не кажучи вже про галактики, Сонячну систему, планети і людей.

Якщо вам по-справжньому хочеться назвати щось часткою Бога, це насіння ідеально підходить для такої назви.

То як же виникло це насіння? Одну ідею висунув кілька років тому Нікодим Поплавський (Nikodem Poplawski), який працює в університеті Нью-Хейвена. Вона полягає в тому, що насіння нашого Всесвіту було виковане в первинній печі, якою для нього стала чорна діра.

Розмноження мультивсесвітів

Перш ніж ми підемо далі, важливо зрозуміти, що за останні двадцять років багато фізиків-теоретиків прийшли до переконання, що наш Всесвіт не єдиний. Ми можемо становити частину мультивсесвіту, що представляє безліч окремих всесвітів, кожен з яких є кулею, що світиться, в істинному нічному небі.

Багато суперечок йде з приводу того, як один всесвіт пов'язаний з іншим, і чи є взагалі така зв'язка. Але всі ці суперечки носять виключно умоглядний характер, а істина є недоведеною. Але є одна приваблива ідея, яка полягає в тому, що насіння всесвіту схоже на насіння рослини. Це шматочок суттєво важливої ​​матерії, щільно стиснутий та захований усередині захисної оболонки.

Цим точно пояснюється те, що виникає усередині чорної дірки. Чорні дірки це трупи гігантських зірок. Коли така зірка закінчує паливо, її ядро ​​схлопується. Сила гравітації стягує все з неймовірною силою, що постійно збільшується. Температура сягає 100 мільярдів градусів. Атоми руйнуються. Електрони рве на шматки. А потім ця маса ще більше стискається.

До цього моменту зірка перетворюється на чорну дірку. Це означає, що її сила тяжіння настільки величезна, що з неї не може вислизнути навіть промінь світла. Кордон між внутрішньою та зовнішньою частиною чорної діри називається горизонтом події. У центрі майже кожної галактики, включаючи наш Чумацький шлях, вчені відкривають колосальні чорні дірки, причому деякі з них у мільйони разів масивніші за наше Сонце.

Бездонні питання

Якщо скористатися теорією Ейнштейна для визначення того, що відбувається на дні чорної дірки, можна обчислити точку, яка має нескінченно більшу щільність і нескінченний малий розмір. Така гіпотетична концепція зветься сингулярністю. Але у природі нескінченностей зазвичай немає. Проблема полягає в теоріях Ейнштейна, які забезпечують чудові розрахунки для більшої частини космічного простору, проте руйнуються перед лицем неймовірних сил, таких як усередині чорної дірки, або тих, що присутні при народженні всесвіту.

Такі фізики, як доктор Поплавський, кажуть, що матерія всередині чорної діри дійсно доходить до такого стану, коли більше її стиснути неможливо. Це «насіння» є неймовірно крихітним, а важить як мільярд зірок. Але, на відміну від сингулярності, воно цілком реальне.

На думку Поплавського, процес стиснення зупиняється тому, що чорні дірки обертаються. Вони крутяться дуже швидко, можливо, досягаючи швидкості світла. І це кручення надає стиснутого насіння неймовірне осьове обертання. Насіння це не тільки маленьке та важке; воно також викривлене і стисло, як пружина того чорта з табакерки.

Іншими словами, цілком можливо, що чорна діра це тунель, «двері в один кінець» між двома всесвітами, каже Поплавський. А це означає, що якщо ви потрапите в чорну дірку в центрі Чумацького шляху, то цілком можливо, що в результаті ви опинитеся в іншому всесвіті (ну, якщо не ви, то ваше розморожене в найдрібніші частки тіло). Цей інший всесвіт знаходиться не всередині нашого; дірка це просто сполучна ланка, як загальний корінь, від якого ростуть дві осики.

А як щодо всіх нас, у нашому власному всесвіті? Ми можемо бути продуктом іншого, більш старого всесвіту. Назвемо її нашою правселеною. Те насіння, яке мати-всесвіт викувала всередині чорної діри, могло зробити великий відскок 13,8 мільярда років тому, і хоча наш Всесвіт з того часу швидко розширюється, ми, як і раніше, можемо перебувати за горизонтом події чорної діри.

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 Уїлеру. А першу чорну дірку «помітили» 1971 року.

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 вогненну 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 уважав, що це не чорна діра. 1990 року він визнав свою поразку.
• Крихітні чорні діри могли з'явитися відразу 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 із 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 більша за сонячну, то ядро, що залишилося, стане нейтронною зіркою або білим карликом. Але більша зірка трансформується у 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

Звичайно, 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 завдячують 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 скупчуються, 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 дірки 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) залишити 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 дірки, відскакує від обрії подій і викидається назовні. При цьому формуються яскраві струмені матеріалу, що пересуваються на релятивістських швидкостях. Ці викиди можна зафіксувати 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 за межами обрії 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 якій сконцентровано таку величезну кількість маси, що жодному об'єкту не вдається уникнути гравітаційного впливу. Коли йдеться про гравітацію, ми покладаємося на загальну теорію відносності, яку пропонує Альберт Ейнштейн. Щоб розібратися в деталях об'єкта, що вивчається, будемо рухатися поетапно.

Давайте уявимо, що ви знаходитесь на поверхні планети і підкидаєте камінь. Якщо ви не маєте сили Халка, то не зможете докласти достатньо сили. Тоді камінь підніметься на певну висоту, але під тиском гравітації звалиться назад. Якщо ж у вас є прихований потенціал зеленого силача, то ви здатні надати об'єкту достатнього прискорення, завдяки якому він повністю залишить 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 ясно: коли в масивної зірки закінчується паливо, вона не здатна протистояти силі гравітації і повинна звалитися 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, то це місце, де швидкість втікання прирівнюється до світлової. 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 обрій, простір і час переживають таке сильне спотворення, що координати починають описувати ролі радіальної відстані та часу перемикання. Тобто «r», яка відзначає дистанцію від центру, стає тимчасовою, а за «просторовість» тепер відповідає «t». У результаті ви не зможете перестати пересуватися з меншим показником r, як і не здатні у звичайному часі потрапити в 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 обчислити, наскільки щось велике. Можна назвати масу чи яку величину займає ділянку. Якщо брати перший критерій, немає конкретної межі масивності чорної діри. Можна використовувати будь-яку кількість, якщо ви здатні її стиснути до необхідної щільності.

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 більшою за сонячну – 10 31 кг. Крім того, у кожній галактиці повинна проживати центральна надмасивна чорна діра, маса якої перевищує сонячну в мільйон разів – 10 36 кг.

Чим масивніший 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 дірки 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 за 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, оскільки 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 насолоджуйтеся поїздкою.

Припустимо, ви приречені та падаєте в дірку, а ваш друг/подруга спостерігає за цим здалеку. Ну, він побачить усе по-іншому. 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 дірки не потрібна нескінченність, як і переходу через горизонт. У міру вашого підходу світла потрібно більше часу, щоб дістатися Кирила. Якщо точніше, то випромінювання в реальному часі від 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 обрію, побути там пару хвилин і вибратися живим до Кирила. Кого ж ви побачите? Старого! Адже для вас час протікав набагато повільніше.

Що тоді правильно? Ілюзія чи гра часу? Все залежить від системи координат при описі чорної діри. Якщо покладатися на координати Шварцшильда, при перетині горизонту тимчасова координата (t) дорівнює 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 усунення. 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 у 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. Достатньо просто не наближатися до неї та почувайтеся спокійно. Більш того, з безпечної відстані вам цей об'єкт здаватиметься звичайнісіньким.

Інформаційний парадокс Хокінга

Фізик Еміль Ахмедов про дію гравітації на електромагнітні хвилі, інформаційний парадокс чорних дірок і 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, проковтнувши 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'єкта за звичайними орбітами. Чому? Тому що горизонт сягатиме 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 виміру 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 говорять 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 в 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 зміщенню, 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 знайти, тому що чорна дірка 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 у 1970-х роках. 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 придумали 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 тільки для коротких тривалостей. Всесвіт може створювати енергію та масу з нуля, але тільки вони мають 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 експериментально підтверджений.

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 дірки.

Ми вже казали, 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 дірка 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 дір, 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 їх існування в природі. Скоріш за все, їх немає, як і способу це з'ясувати.

До цього моменту ми говорили про класику чорних дірок. Вони не обертаються та позбавлені 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 вміти керувати такими червоточинами, 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.

Світ вам нічого не винен – він був тут раніше за вас.
- Марк Твен

А чому Всесвіт не стиснувся в чорну дірку одразу після Великого вибуху?

Всесвіт у наш час сповнений всього. Наша галактика - це крутий заміс із зірок, планет, газу, пилу, великої кількості темної матерії, що містить від 200 до 400 мільярдів зірок, і важить у сумі в трильйон разів більше, ніж вся наша Сонячна система. Але наша галактика - лише одна з трильйона галактик схожого розміру, розкиданих по Всесвіту.

Але як би не був масивний Всесвіт, ця маса розподілена по величезному простору. Спостережувана частина Всесвіту становить діаметрі близько 92 мільярдів світлових років, що проти кордонами нашої Сонячної системи важко уявити. Орбіта Плутона та інших об'єктів пояса Койпера складає 0,06% від світлового року. Тому ми маємо величезну масу, розподілену за величезним обсягом. І хотілося б уявити, як вони співвідносяться один з одним.

Ну, наше Сонце важить 2*10^30 кг. Це означає, що воно містить 10^57 протонів та нейтронів. Якщо врахувати, що у Всесвіті міститься 10^24 сонячних мас звичайної матерії, виходить, що у сфері радіусом 46 мільярдів кілометрів міститься 10^81 нуклонів. Якщо порахувати середню щільність Всесвіту, вона виявиться рівною приблизно двом протонам на кубічний метр. А це МІЗЕР!

Тому, якщо почати думати про ранню стадію розвитку нашого Всесвіту, коли вся матерія та енергія були зібрані в дуже маленькому просторі, який був набагато меншим навіть нашої Сонячної системи, доводиться задуматися над питанням нашого читача.

Коли Всесвіт був віком в одну пікосекунду після Великого вибуху, вся ця матерія, що міститься зараз у зірках, галактиках, кластерах і суперкластерах Всесвіту, знаходилася в обсязі меншому, ніж сфера з радіусом, що дорівнює поточному радіусу орбіти Землі.

І, не применшуючи теорії щодо того, що весь Всесвіт вмістився в такому маленькому обсязі, скажімо, що нам відомі чорні дірки, які вже існують, і маса яких набагато менша за масу Всесвіту, а їх розмір при цьому набагато більше, ніж згаданий обсяг!

Перед вами - гігантська еліптична галактика Messier 87, найбільша галактика на відстані 50 мільйонів світлових років від нас, що становить 0.1% від радіусу Всесвіту, що спостерігається. У її центрі є супермасивна чорна діра, з масою 3.5 мільярдів сонячних. Це означає, що у неї шварцшильдівський радіус - або радіус, з якого не може втекти світло. Він становить приблизно 10 мільярдів кілометрів, що у 70 разів більше за відстань від Землі до Сонця.

Так що якщо така маса в такому маленькому обсязі призводить до появи чорної діри, чому ж маса в 10^14 разів більша, перебуваючи в ще меншому обсязі, не призвела до появи чорної діри, а, очевидно, призвела до появи нашого Всесвіту?

Так вона мало не привела. Всесвіт згодом розширюється, а швидкість його розширення зменшується у міру нашого руху на майбутнє. У далекому минулому, у перших пікосекундах Всесвіту швидкість її розширення була набагато, набагато більшою, ніж зараз. Наскільки більше?

Сьогодні Всесвіт розширюється зі швидкістю приблизно 67 км/с/МПк, що означає, що на кожен мегапарсек (приблизно 3,26 мільйона світлових років) на якому щось знаходиться від нас, відстань між нами і цим об'єктом розширюється зі швидкістю 67 кілометрів на секунду. Коли вік всесвіту становив пікосекунди, ця швидкість була ближчою до 10^46 км/с/МПк. Щоб уявити це, можна сказати, що така швидкість розширення сьогодні призвела б до того, що кожен атом матерії на Землі віддалявся б від інших так швидко, що відстань між ними збільшувалася б на світловий рік кожну секунду!

Це розширення визначає рівняння вище. На одній його стороні є H, хаблівська швидкість розширення Всесвіту, а на іншій – багато всякого. Але найважливіше – це змінна ρ, що означає щільність енергії Всесвіту. Якщо H і ρ ідеально збалансувати, Всесвіт зможе прожити дуже довго. Але навіть невеликий дисбаланс призведе до одного із двох дуже неприємних наслідків.

Якби швидкість розширення Всесвіту була трохи меншою, щодо кількості її маси та енергії, то наш Всесвіт чекав би майже миттєвий колапс. Перетворення на чорну дірку або Великий стиск відбулося б дуже швидко. А якби швидкість розширення була б трохи вище, то атоми взагалі не з'єдналися б один з одним. Все розширювалося б так швидко, що кожна субатомна частка існувала б у своєму власному Всесвіті, і їй не було з чим взаємодіяти.

А наскільки мали відрізнятися швидкості розширення для отримання таких різних результатів? на 10%? На 1%? на 0.1%?

Беріть вище. Потрібна була б різниця менш ніж у 1/10^24, щоб дати Всесвіту час проіснувати протягом 10 мільярдів років. Тобто, навіть відмінності на 0.00000001% від швидкості розширення, що відбулася, було б достатньо, щоб Всесвіт сколапсував би назад менше ніж за секунду, якби розширення було надто повільним. Або для запобігання формуванню навіть одного атома гелію, якби розширення було надто великим.

Але в нас нічого цього немає: у нас є Всесвіт, що є прикладом майже ідеального балансу між розширенням і щільністю матерії та випромінювання, і відрізняється поточний стан від ідеального балансу всього лише на дуже невелику ненульову космологічну константу. Чому вона є, ми пояснити поки що не можемо, але, можливо, вам сподобається вивчати те, що її не пояснює!

С. ТРАНКІВСЬКИЙ

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

Утворення чорної дірки може відбуватися трьома шляхами.

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

Гравітаційне поле чорної діри вносить сильні спотворення геометрію простору.

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

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

Народження пари частка-античастка в лабораторії.

ЯК ВОНИ ВИНИКАЮТЬ

Небесне тіло, що світиться, має щільність, що дорівнює щільності Землі, і діаметром, що в двісті п'ятдесят разів перевершує діаметр Сонця, через силу свого тяжіння не дасть своєму світлу досягти нас. Таким чином, можливо, що найбільші тіла, що світяться у Всесвіті, саме через свою величину залишаються невидимими.
П'єр Симон Лаплас.
Виклад системи світу. 1796 рік.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

І зрештою він мав рацію: у центрі зірки дійсно йде термоядерна реакція (інша справа, що так звана "стандартна сонячна модель", заснована на уявленнях про термоядерний синтез, мабуть, виявилася невірною - див., наприклад, "Наука та життя" №№ 2, 3, 2000 р.). Проте реакція в центрі зірки проходить, зірка світить, а випромінювання, яке при цьому виникає, утримує її в стабільному стані. Але ядерне "паливо" в зірці вигоряє. Виділення енергії припиняється, випромінювання гасне, і сила, яка стримує гравітаційне тяжіння, зникає. Існує обмеження на масу зірки, після якого зірка починає незворотно стискатися. Розрахунки показують, що це відбувається, якщо маса зірки перевищує дві-три маси Сонця.

ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС

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

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

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

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

РОЗМІРИ ЧОРНИХ ДІР

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

Очевидно, саме такі чорні дірки перебувають у центрах галактик. У всякому разі, астрономи сьогодні налічують близько п'ятдесяти галактик, у центрі яких, судячи з непрямих ознак (мова про них піде нижче), є чорні дірки масою близько мільярда (10 9) сонячної. У нашій Галактиці теж, певне, є своя чорна діра; її масу вдалося оцінити досить точно - 2,4. 10 6 ±10% маси Сонця.

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

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

Як побачити невидиме

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

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

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

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

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

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

ЧОРНА ДІРА МОЖЕ БУТИ І "БІЛИЙ"

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

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

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

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

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

Нова модель всесвіту дозволяє обійтися без квантової сингулярності та космологічної інфляції.

Основне питання космології можна сформулювати буквально в трьох словах: звідки виник Всесвіт? Для стандартної відповіді вистачить і двох: із квантової сингулярності. Так називають особливий стан матерії, де немає простору, ні часу і не діють відомі фізичні закони. Прийнято вважати, що воно виявилося нестійким і дало початок тривимірному простору, наповненому квантовими полями та народженими частинками. Цей вихід із сингулярності називають Великим вибухом і беруть за початок відліку віку Всесвіту.

Що таке ця сингулярність, ніхто до ладу не знає. Якщо «програти» космологічні рівняння назад у часі до нульової точки, щільність енергії та температура звернуться до нескінченності та втратить фізичний сенс. Зазвичай сингулярність описують як хаотичну квантову флуктуацію вакууму, яка уможливила появу гравітації та інших фізичних полів. Теоретики доклали чимало зусиль, намагаючись зрозуміти, як саме це могло статися, але поки що без особливих успіхів.

Не вибух, а колапс

Деякі космологічні моделі взагалі обходяться без сингулярності, але вони у меншості. А ось нещодавно троє канадських учених виступили з дуже цікавою моделлю Великого вибуху, яка не потребує гіпотези квантового хаосу. Професор фізики та астрономії Університету Ватерлоо Роберт Манн та його колеги припускають, що наш Всесвіт міг з'явитися як побічний продукт гравітаційного стягування космічної матерії, яке закінчилося народженням чорної діри. Їхня ключова ідея полягає в тому, що ця матерія існувала в просторі не з трьома, а з чотирма вимірами. Новонароджена діра, знову-таки чотиривимірна, оточила себе тривимірною оболонкою, яка і стала зародком Всесвіту. Вона запозичила від материнського чотиривиміру не лише тяжіння, а й інші поля та частинки, які загоїлися самостійним тривимірним життям. Отже, наш світ виник не з Великого вибуху, а з його протилежності, Великого колапсу!

Звідки взялася ця оболонка? «Звичайна» чорна діра оточена замкненою двовимірною поверхнею, горизонтом подій. Частка, що впала всередину обрію, вже не зможе повернутися назад, і навіть фотони з-під обрію теж не подолають цей непроникний бар'єр. Якщо дірка нерухома, горизонт має сферичну форму, а у дірок, що обертаються, ця сфера сплюснута у полюсів. Оскільки горизонт має нульову товщину, усередині нього, природно, немає жодної речовини. Але це у тривимірному просторі. Чотиривимірна діра теж має горизонт подій, чия розмірність на одиницю менша за її власну. Отже, її обрій - це тривимірний простір. Згідно з гіпотезою канадських фізиків, воно і може дати початок нашому Всесвіту.

Професор Університету Ватерлоо (Канада):

«Рівняння ОТО мають сенс для просторів з якою завгодно великою кількістю вимірювань, причому у всіх випадках вони мають рішення, що призводять до виникнення сингулярностей. Звідси випливає, що якщо щільність речовини в замкнутій чотиривимірній ділянці перевищить певну критичну межу, вона колапсує з утворенням чорної діри. Фізичні властивості такої речовини повинні сильно відрізнятися від тих, які ми спостерігаємо у світі. Однак цілком логічно припустити, що гравітація пануватиме і в цьому світі: якщо частинки матерії чотиривимірного світу деформують простір-час відповідно до рівнянь ОТО, вони притягуються один до одного і дають початок чорним діркам».

Для матерії чотиривимірного простору, замкненої всередині горизонту чорної діри, ця тривимірна область буде єдиним світом, повністю відсіченим від чотиривимірного оточення. Можна припустити, що втягнута всередину горизонту матерія поводитиметься за всіма законами тривимірності. Нова модель дозволяє уникнути поширеної гіпотези космологічної інфляції, запропонованої на початку 1980-х, яка все ще стикається з серйозними невирішеними проблемами. Зокрема, незрозуміла природа фізичного поля, яке, як передбачається, запустило розширення новонародженого Всесвіту, що прискорюється.

Відскок світу

Але якщо не брати до уваги квантові ефекти, горизонт тривимірної діри стабільний, тоді як наш Всесвіт розширюється. Модель Манна пояснює і це: «Гравітаційний колапс у чотиривимірному просторі не тільки породить чорну дірку, а й викличе «відскок» матерії, що не провалилася в неї, і її розліт у всіх напрямках. Щось подібне відбувається під час вибухів наднових, які розкидають свої оболонки по навколишньому простору. Як показують обчислення, ця матерія може створити тривимірний шар навколо горизонту, який розширюватиметься і тягне за собою обрій. В результаті виникне єдиний простір нашого Всесвіту, що розширюється. Модель можна модифікувати таким чином, що вона передбачить прискорення цього розширення, яке пояснює стандартна космологія за допомогою темної енергії».

Нова модель припускає дослідну перевірку. Гравітаційний вплив чотиривиміру на наш Всесвіт має викликати певні флуктуації реліктового випромінювання, спектр яких можна передбачити.