Колапс важких зірок: як з'являються чорні дірки і чи можна їх побачити.
Цей пост – конспект до п'ятого заняття за програмою курсу з астрофізики для середньої школи. Він містить опис спалахів наднових, процесів утворення нейтронних зірок (пульсарів) та чорних дірок зоряних мас як одиночних, так і в зоряних парах. І кілька слів про коричневі карлики.
Спочатку повторю картинку, що показує класифікацію типів зірок та його еволюції залежно від своїх мас:
1. Спалахи нових та наднових.
Вигоряння гелію в надрах зірок завершується утворенням червоних гігантів та їх спалахами. новихз освітою білих карликівабо утворенням червоних надгігантів та їх спалахами як надновихз освітою нейтронних зірокабо чорних дір,а також туманностей із скинутих цими зірками своїх оболонок. Найчастіше маси оболонок, що скидаються, перевищують маси "мумій" цих зірок - нейтронних зірок і чорних дірок. Для розуміння масштабів цього явища наведу відео спалаху наднової 2015F у віддаленому від нас на 50 млн. св. років галактиці NGC 2442:
Інший приклад - наднова 1054 в нашій Галактиці, в результаті спалаху якої утворилися Крабовидна туманність і нейтронна зірка на відстані від нас в 6,5 тис. св. років. При цьому маса нейтронної зірки, що утворилася ~ 2 сонячних мас, а маса скинутої оболонки ~ 5 сонячних мас. Сучасники оцінювали яскравість цієї наднової як приблизно в 4-5 разів більшу, ніж у Венери. Якби така наднова спалахнула в тисячу разів ближче (6,5 св. років), то вона б виблискувала на нашому небі в 4000 разів яскравіше за Місяць, але в сотню разів слабша за Сонце.
2. Нейтронні зірки.
Зірки великих мас (класів О, В, А) після вигоряння водню в гелій і в процесі вигоряння гелію переважно в вуглець, кисень і азот входять у досить коротку стадію червоного надгігантаі після завершення гелієво-вуглецевого циклу теж скидають оболонку і спалахують як "Наднові". Їхні надра теж стискаються під дією гравітації. Але тиск виродженого електронного газу вже не може, як у білих карликів, зупинити цей гравітаційний самостиск. Тому температура в надрах цих зірок підвищується і в них починають термоядерні реакції, в результаті яких утворюються наступні елементи таблиці Менделєєва. Аж до заліза.
Чому до заліза? Тому що утворення ядер з великим атомним номером не йде з виділенням енергії, а з поглинанням її. А взяти її від інших ядер не так просто. Звичайно, елементи з великим атомним номером у надрах цих зірок утворюються. Але у набагато меншій кількості, ніж залізо.
А ось далі еволюція розщеплюється. Не надто потужні зірки (класів Ата частково У) перетворюються на нейтронні зірки. У яких електрони буквально вдруковуються в протони і більшість тіла зірки перетворюється на величезне нейтронне ядро. Складається з дотичних і навіть утиснутих один одного звичайних нейтронів. Щільність речовини в якому близько кількох мільярдів тонн у кубічному сантиметрі. А типовий діаметр нейтронної зірки- близько 10-20 кілометрів. Нейтронна зірка – другий стійкий тип "мумії" померлої зірки. Їхні маси, як правило, лежать в інтервалі від приблизно 1,3 до 2,1 мас Сонця (за даними спостережень).
Поодинокі нейтронні зірки в оптиці побачити практично неможливо через їхню надзвичайно низьку світність. Але частина з них виявляють себе як пульсари. Що це таке? Практично всі зірки обертаються навколо своєї осі і мають досить сильне магнітне поле. Наприклад, наше Сонце робить оберт навколо своєї осі приблизно за місяць.
Тепер уявіть собі, що його діаметр зменшиться сто тисяч разів. Зрозуміло, що завдяки закону збереження моменту імпульсу обертатися воно буде набагато швидшим. І магнітне поле такої зірки буде поблизу її поверхні на багато порядків сильніше за сонячне. Більшість нейтронних зірок мають період обороту навколо своєї осі в десяті - соті частки секунди. Зі спостережень відомо, що пульсар, що найшвидше обертається, робить трохи більше 700 оборотів навколо своєї осі в секунду, а самий повільно обертається робить один оборот за більш ніж 23 секунди.
А тепер уявіть собі, що така зірка має магнітну вісь, як і Землю, не збігається з віссю обертання. Жорстке випромінювання від такої зірки концентруватиметься у вузьких конусах уздовж магнітної осі. І якщо цей конус буде з періодом обертання зірки "зачіпати" Землю, то цю зірку ми бачитимемо як пульсуючий джерело випромінювання. На кшталт ліхтарика, що обертається нашою рукою.
Такий пульсар (нейтронна зірка) утворився після спалаху наднового 1054 року, що трапився якраз під час візиту кардинала Гумберта до Константинополя. За результатами якого відбувся остаточний розрив між католицькою та православною церквами. Сам цей пульсар здійснює 30 обертів на секунду. А скинута ним оболонка масою ~ 5 мас Сонця виглядає як Крабоподібна туманність:
3. Чорні дірки (зоряних мас).
Нарешті, досить потужні зірки (класів Прота частково У) закінчують свій життєвий шлях третім типом "мумії" - чорною дірою. Такий об'єкт виникає, коли маса залишку зірки настільки велика, що тиск нейтронів (тиск виродженого нейтронного газу), що стикаються, у надрах цього залишку не може протистояти його гравітаційному самостисканню. Спостереження показують, що межа по масі між нейтронними зірками та чорними дірками лежить на околиці ~ 2,1 маси Сонця.
Безпосередньо одиночну чорну діру спостерігати неможливо. Бо з її поверхні (якщо вона є) жодна частка вирватися не може. Навіть частка світла – фотон.
4. Нейтронні зірки та чорні дірки у подвійних зіркових системах.
Поодинокі нейтронні зірки та чорні діри зоряних мас практично не спостерігаються. Але у випадках, якщо вони є однією з двох або більше зірок у тісних зоряних системах, такі спостереження стають можливими. Оскільки своїм тяжінням можуть "відсмоктувати" зовнішні оболонки поки що залишаються нормальними зірками своїх сусідок.
При такому "відсмоктуванні" навколо нейтронної зірки або чорної дірки утворюється акреційний диск, речовина якого частково "сповзає" до нейтронної зірки або чорної діри і частково відкидається від неї в двох струменях-джетах. Цей процес вдається зафіксувати. Приклад - подвійна зоряна система SS433, одна компонента якої або нейтронна зірка, або чорна діра. А друга - поки що звичайна зірка:
5. Коричневі карлики.
Зірки з масами помітно меншою за сонячну і аж до ~ 0,08 маси Сонця є червоними карликами класу М. Вони будуть працювати на воднево-гелієвому циклі протягом часу більшого, ніж вік Всесвіту. В об'єктах з масами менше цієї межі з ряду причин стаціонарна термояд, що довго працює, не можлива. Такі зірки називають коричневими карликами. Температура їхньої поверхні настільки низька, що в оптиці вони майже не видно. Але світять у ІЧ-діапазоні. За сукупністю цих причин їх часто називають недозірками.
Діапазон мас коричневих карликів – від 0,012 до 0,08 сонячних мас. Об'єкти з масою меншою за 0,012 маси Сонця (~ 12 мас Юпітера) можуть бути лише планетами. Газовими велетнями. Випромінюючими за рахунок повільного гравітаційного самостиснення помітно більше енергії, ніж вони одержують від батьківських зірок. Так, Юпітер за сумою всіх діапазонів випромінює приблизно вдвічі більше енергії, ніж отримує від Сонця.
Що таке Чорна діра? Чому її називають чорною? Що відбувається у зірках? Як пов'язані нейтронна зірка та чорна діра? Чи здатний великий адронний колайдер створити чорні дірки, і чим це загрожує нам?
Що таке зірка??? Якщо ще не знаєте, наше Сонце теж зірка. Це об'єкт великих розмірів здатний за допомогою термоядерного синтезу випромінювати електромагнітні хвилі (це не найточніше з визначень). Якщо незрозуміло, можна сказати так: зірка - це великий об'єкт кулястої форми, всередині якого за допомогою ядерних реакцій утворюється дуже-дуже велика кількість енергії, частина якої йде на випромінювання видимого світла. Крім звичайного світла, випромінюється і тепло (інфрачервоне випромінювання), і радіохвилі, і ультрафіолет та ін.
У будь-якій зірці відбуваються ядерні реакції так само, як і в атомних станціях, лише з двома головними відмінностями.
1. У зірках відбуваються реакції ядерного синтезу, тобто сполуки ядер, а АЕС – ядерного розпаду. У першому випадку виділяється в 3 рази більше енергії, у тисячі разів менше витрат, оскільки необхідний лише водень, а він порівняно недорогий. Також у першому випадку немає шкідливих відходів: виділяється лише нешкідливий гелій. Тепер Вас, звичайно ж, цікавить, чому на АЕС не користуються такими реакціями? Тому що вона неконтрольована і легко призводить до ядерного вибуху, та ще для цієї реакції потрібна температура кілька мільйонів градусів. Для людини ядерний синтез є найважливішим і найважчим завданням (ніхто поки не придумав спосіб контролювати термоядерний синтез) з огляду на те, що наші джерела енергії закінчуються.
2. У зірках у реакціях бере участь більше речовини, ніж у АЕС, і, природно, там більше виходить на виході енергії.
Тепер про еволюцію зірок. Кожна зірка народжується, росте, старіє та вмирає (гасне). Зірки за стилем еволюціонування діляться залежно від власної маси втричі категорії.
Перша категорія – зірки з масою менше 1,4 * Масу Сонця. У таких зірках все "паливо" повільно перетворюється на метал, тому що через синтез (об'єднання) ядер з'являються все більш "багатоядерні" (важкі) елементи, а це і є метали. Щоправда, остання стадія еволюції таких зірок була зафіксована (зафіксувати металеві кулі складно), це лише теорія.
Друга категорія –
зірки по масі, що перевищують масу зірок першої категорії, але менших трьох мас Сонця. Такі зірки внаслідок еволюції втрачають баланс внутрішніх сил тяжіння та відштовхування. Як наслідок, зовнішня їхня оболонка викидається в космос, а внутрішня (із закону збереження імпульсу) починає «шалено» стискатися. Утворюється нейтронна зірка. Вона майже повністю складається з нейтронів, тобто частинок, що не мають електричного заряду. Найпримітніше в нейтронній зірці –
це її щільність, адже щоб стати нейтронною, зірці потрібно стиснутись до кулі діаметром всього близько 300 км, а це дуже мало. Так ось щільність її дуже велика - близько десятків трильйонів кг в одному кубічному метрі, що в мільярди разів більше, ніж густина найщільніших речовин на Землі. Звідки взялася така щільність? Справа в тому, що всі речовини на Землі складаються з атомів, вони у свою чергу складаються з ядер. Кожен атом можна представити як велику порожню кулю (абсолютно порожню), в центрі якої знаходиться маленьке ядро. У ядрі міститься вся маса атома (крім ядра в атомі є лише електрони, та їх маса дуже мала). Ядро в діаметрі в 1000 разів менше від атома. Отже в обсязі ядро менше атома в 1000*1000*1000 = 1 мільярд разів. А звідси щільність ядра в мільярди разів більша за щільність атома. Що відбувається у нейтронній зірці? Атоми перестають існувати як форма речовини, вони замінюються на ядра. Саме тому щільність таких зірок у мільярди разів більша за щільність земних речовин.
Всі ми знаємо, що важкі предмети (планети, зірки) сильно притягують до себе навколишнє. Нейтронні зірки так і виявляють. Вони сильно викривляють орбіти інших видимих зірок, що знаходяться поряд.
Третя категорія зірок – зірки з більшою масою, ніж потрійна маса Сонця. Такі зірки, ставши нейтронними, стискаються далі і перетворюються на чорні дірки. Їх щільність у десятки тисяч разів більша за щільність нейтронних зірок. Маючи таку величезну щільність, чорна діра знаходить здатність дуже сильної гравітації (здатність притягувати оточуючі тіла). З такою гравітацією зірка не дозволяє залишити свої межі навіть електромагнітним хвилям, а отже і світла. Тобто чорна діра не випромінює світло. Відсутність будь-якого світла – це темрява, ось тому чорну дірку і називають чорною. Вона завжди чорна, її неможливо побачити у жодному телескопі. Всі знають, що через свою гравітацію, чорні дірки здатні засмоктувати всі оточуючі тіла у великому обсязі. Саме тому люди й остерігаються запуску Великого Адронного Колайдера, у роботі якого, на думку вчених, не виключена поява чорних мікродір. Однак ці мікродірки сильно відрізняються від звичайних: нестійкі, тому що час їхнього життя дуже мало, і не доведені практично. Більше того, вчені запевняють, що ці мікродірки мають зовсім іншу природу на відміну від звичайних чорних дірок і не здатні поглинати матерію.
сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.
Білі карлики, нейтронні зірки та чорні дірки є різними формами кінцевого етапу зіркової еволюції. Молоді зірки черпають свою енергію в термоядерних реакціях, що протікають у зоряних надрах; під час цих реакцій відбувається перетворення водню на гелій. Після того як певна частка водню витрачена, гелієве ядро, що утворилося, починає стискатися. Подальша еволюція зірки залежить від її маси, а точніше від того, як вона співвідноситься з якоюсь критичною величиною, яка називається межею Чандрасекара. Якщо маса зірки менша за цю величину, то тиск виродженого електронного газу зупиняє стиск (колапс) гелієвого ядра, перш ніж його температура досягне такого високого значення, коли починаються термоядерні реакції, в ході яких гелій перетворюється на вуглець. Тим часом зовнішні верстви зірки, що еволюціонують, порівняно швидко скидаються. (Припускається, що саме таким шляхом утворюються планетарні туманності.) Білий карлик і є гелієвим ядром, оточеним більш менш протяжною водневою оболонкою.
У масивніших зірок гелієве ядро продовжує стискатися аж до «загоряння» гелію. Енергія, що виділяється в процесі перетворення гелію на вуглець, оберігає ядро від подальшого стиснення - але ненадовго. Після того, як гелій повністю витрачено, стиснення ядра продовжується. Температура знову зростає, починаються інші ядерні реакції, які протікають до того часу, доки вичерпається енергія, запасена атомних ядрах. До цього моменту ядро зірки складається з чистого заліза, яке грає роль ядерної «золи». Тепер ніщо не зможе перешкодити подальшому колапсу зірки - він продовжується доти, доки щільність її речовини не досягне щільності атомних ядер. Різке стиснення речовини у центральних областях зірки породжує вибух величезної сили, у результаті зовнішні шари зірки розлітаються з величезними швидкостями. Саме ці вибухи астрономи пов'язують із явищем наднових.
Доля колапсуючого залишку зірки залежить від його маси. Якщо маса менше, ніж приблизно 2,5 М 0 (маса Сонця), то тиск, обумовлений «нульовим» рухом нейтронів і протонів, досить великий, щоб перешкодити подальшому гравітаційному стиску зірки. Об'єкти, у яких густина речовини дорівнює (або навіть перевершує) густини атомних ядер, називаються нейтронними зірками. Їхні властивості вперше були вивчені в 30-х роках Р. Оппенгеймером та Г. Волковим.
Відповідно до теорії Ньютона, радіус зірки, що колапсує, зменшується до нуля за кінцевий час, гравітаційний потенціал при цьому необмежено зростає. Теорія Ейнштейна малює інший сценарій. Швидкість фотона зменшується в міру його наближення до центру чорної дірки, що дорівнює нулю. Це означає, що з погляду зовнішнього спостерігача фотон, що падає у чорну дірку, ніколи не досягне її центру. Оскільки частинки речовини не можуть рухатися швидше за фотон, радіус чорної діри досягне граничного значення за нескінченний час. Більше того, фотони, що випускаються з поверхні чорної дірки, протягом колапсу зазнають дедалі більшого червоного зміщення. З погляду зовнішнього спостерігача, об'єкт, з якого формується чорна дірка, спочатку стискується з швидкістю, що все зростає; потім його радіус починає зменшуватися дедалі повільніше.
Не маючи внутрішніх джерел енергії, нейтронні зірки та чорні дірки швидко остигають. А оскільки площа їхньої поверхні дуже мала - всього кілька десятків квадратних кілометрів, - слід очікувати, що яскравість цих об'єктів вкрай невелика. Справді, теплового випромінювання поверхні нейтронних зірок чи чорних дірок поки що не вдавалося спостерігати. Однак, деякі нейтронні зірки є потужними джерелами нетеплового випромінювання. Йдеться про так звані пульсари, виявлені в 1967 р. Джоселін Белл - аспіранткою Кембриджського університету. Белл вивчала радіосигнали, зареєстровані за допомогою апаратури, розробленої Ентоні Хьюїшем для дослідження випромінювання осциллюючих радіоджерел. Серед багатьох записів хаотично мерехтливих джерел вона помітила таку, де сплески повторювалися з чіткою періодичністю, хоча й змінювалися за інтенсивністю. Більш детальні спостереження підтвердили точно періодичний характер проходження імпульсів, а щодо інших записів було виявлено ще два джерела з такими ж властивостями. Спостереження і теоретичний аналіз показують, що пульсари - це нейтронні зірки, що швидко обертаються, з надзвичайно сильним магнітним полем. Пульсуючий характер випромінювання обумовлений пучком променів, що виходять з «гарячих плям» на (або поблизу) поверхні нейтронної зірки, що обертається. Детальний механізм цього випромінювання досі залишається загадкою для вчених.
Було виявлено кілька нейтронних зірок, що входять до складу тісних подвійних систем. Саме це (і ніякі інші) нейтронні зірки є потужними джерелами рентгенівського випромінювання. Уявімо тісну подвійну, один компонент якої - гігант або надгігант, а інший - компактна зірка. Під дією гравітаційного поля компактної зірки газ може випливати з розрідженої атмосфери гіганта: такі газові потоки в тісних подвійних системах, які давно виявлені методами спектрального аналізу, отримали відповідне теоретичне тлумачення. Якщо компактною зіркою в подвійній системі є нейтронна зірка або чорна діра, молекули газу, що витікає з іншого компонента системи, можуть прискорюватися до дуже високих енергій. Внаслідок зіткнень між молекулами кінетична енергія газу, що падає на компактну зірку, зрештою переходить у тепло та випромінювання. Як показують оцінки, енергія, що виділяється при цьому, цілком пояснює спостерігається інтенсивність рентгенівського випромінювання подвійних систем такого типу.
У загальній теорії відносності Ейнштейна чорні діри займають таке саме місце, як ультрарелятивістські частки у його спеціальній теорії відносності. Але якщо світ ультрарелятивістських частинок – фізика високих енергій – сповнений дивовижних явищ, які відіграють важливу роль в експериментальній фізиці та спостережній астрономії, то явища, пов'язані з чорними дірками, поки що викликають лише подив. Згодом фізика чорних дірок дасть результати, важливі для космології, але зараз ця галузь науки в основному є «ігровим майданчиком» для теоретиків. Чи не випливає з цього, що теорія гравітації Ейнштейна дає нам менше відомостей про Всесвіт, ніж теорія Ньютона, хоча теоретично значно перевершує її? Зовсім ні! На відміну від теорії Ньютона теорія Ейнштейна утворює фундамент самоузгодженої моделі реального Всесвіту як цілого, що ця теорія має безліч разючих і доступних перевірці передбачень і, нарешті, вона забезпечує причинний зв'язок між вільно падаючими, необерненими системами відліку і розподілом, а також рухом маси в просторі.
У космосі відбувається багато дивовижних речей, у яких з'являються нові зірки, зникають старі і формуються чорні дірки. Одним із чудових та загадкових явищ виступає гравітаційний колапс, який закінчує еволюцію зірок.
Зоряна еволюція - це цикл змін, що проходить зіркою за період її існування (мільйони чи мільярд років). Коли водень у ній закінчується і перетворюється на гелій, формується гелієве ядро, а сам починає перетворюватися на червоного гіганта - зірку пізніх спектральних класів, яка має високу світність. Їх маса може у 70 разів перевищувати масу Сонця. Дуже яскраві надгіганти називаються гіпергігантами. Крім високої яскравості, вони відрізняються коротким періодом існування.
Сутність колапсу
Це вважається кінцевою точкою еволюції зірок, вага яких становить більше трьох сонячних мас (вага Сонця). Ця величина використовується в астрономії та фізиці з метою визначення ваги інших космічних тіл. Колапс відбувається у тому випадку, коли гравітаційні сили змушують величезні космічні тіла з великою масою дуже швидко стискатися.
У зірках вагою понад три маси Сонця є достатньо матеріалу для тривалих термоядерних реакцій. Коли субстанція закінчується, припиняється термоядерна реакція, а зірки перестають бути механічно стійкими. Це призводить до того, що вони із надзвуковою швидкістю починають стискатися до центру.
Нейтронні зірки
Коли зірки стискаються, це призводить до виникнення внутрішнього тиску. Якщо воно росте з достатньою силою для того, щоб зупинити гравітаційне стиснення, з'являється нейтронна зірка.
Таке космічне тіло має просту структуру. Зірка складається із серцевини, яку покриває кора, а вона, у свою чергу, формується з електронів та ядер атомів. Її товщина дорівнює приблизно 1 км і є відносно тонкою, якщо порівнювати з іншими тілами, що зустрічаються у космосі.
Вага нейтронних зірок дорівнює вазі Сонця. Відмінність між ними полягає в тому, що радіус у них невеликий – не більше 20 км. Усередині них взаємодіють один з одним атомні ядра, формуючи таким чином ядерну матерію. Саме тиск із її боку не дає нейтронній зірці стискатися далі. Цей тип зірок відрізняється дуже високою швидкістю обертання. Вони здатні здійснювати сотні обертів протягом однієї секунди. Процес народження починається зі спалаху наднового, який виникає під час гравітаційного колапсу зірки.
Наднові
Спалах наднової є явищем різкої зміни яскравості зірки. Далі зірка починає повільно та поступово згасати. Так закінчується остання стадія гравітаційного колапсу. Весь катаклізм супроводжується виділенням величезної кількості енергії.
Слід зазначити, що жителі Землі можуть побачити цей феномен лише постфактуму. Світло досягає нашої планети через довгий період після того, як стався спалах. Це спричинило виникнення складнощів щодо природи наднових.
Охолодження нейтронної зірки
Після закінчення гравітаційного стиснення, у результаті якого сформувалася нейтронна зірка, її температура дуже висока (набагато вище, ніж температура Сонця). Охолоджується зірка завдяки нейтринному охолодженню.
Протягом кількох хвилин їх температура може опуститися у 100 разів. Протягом наступних ста років - ще в 10 разів. Після того, як знижується, процес її охолодження суттєво уповільнюється.
Межа Оппенгеймера-Волкова
З одного боку, цей показник відображає максимально можливу вагу нейтронної зірки, при якому гравітація компенсується нейтронним газом. Це не дозволяє гравітаційному колапсу закінчитися появою чорної діри. З іншого боку, так звана межа Оппенгеймера-Волкова є водночас і нижнім порогом ваги чорної дірки, які були утворені під час зіркової еволюції.
Через ряд неточностей важко визначити точне значення цього параметра. Однак передбачається, що воно знаходиться в діапазоні від 2,5 до 3 мас Сонця. на НаразіВчені стверджують, що найважчою нейтронною зіркою є J0348+0432. Її вага становить понад дві маси Сонця. Вага найлегшої чорної дірки становить 5-10 сонячних мас. Астрофізики заявляють про те, що ці дані є експериментальними і стосуються лише на даний момент відомих нейтронних зірок та чорних дірок і припускають можливість існування масивніших.
Чорні діри
Чорна діра - це один із найдивовижніших феноменів, які зустрічаються в космосі. Вона є область простору-часу, де гравітаційне тяжіння не дозволяє жодним об'єктам вийти з неї. Залишити її не здатні навіть тіла, які можуть рухатися зі швидкістю світла (у тому числі і кванти самого світла). До 1967 року чорні дірки називалися «застиглими зірками», «колапсарами» і «зірками, що сколапсували».
Чорна діра має протилежність. Вона називається білою діркою. Як відомо, із чорної діри неможливо вибратися. Щодо білих, то в них не можна проникнути.
Крім гравітаційного колапсу, причиною утворення чорної діри може бути колапс у центрі галактики чи протогалактичного ока. Існує також теорія, що чорні дірки з'явилися в результаті Великого Вибуху, як і наша планета. Вчені називають їх первинними.
У нашій Галактиці є одна чорна діра, яка, на думку астрофізиків, утворилася через гравітаційний колапс надмасивних об'єктів. Вчені стверджують, що подібні дірки формують ядра безлічі галактик.
Астрономи Сполучених Штатів Америки припускають, що розмір великих чорних дірок може бути суттєво недооцінений. Їх припущення ґрунтуються на тому, що для досягнення зірками тієї швидкості, з якою вони рухаються по галактиці М87, що знаходиться за 50 мільйонів світлових років від нашої планети, маса чорної дірки в центрі галактики М87 має бути не менше 6,5 мільярдів мас Сонця. На даний момент прийнято вважати, що вага найбільшої чорної діри становить 3 мільярди сонячних мас, тобто більш ніж вдвічі менше.
Синтез чорних дірок
Існує теорія, що ці об'єкти можуть з'являтися внаслідок ядерних реакцій. Вчені дали їм назву квантові чорні дари. Їхній мінімальний діаметр становить 10 -18 м, а найменша маса - 10 -5 г.
Для синтезу мікроскопічних чорних дірок було побудовано Великий адронний колайдер. Передбачалося, що з його допомогою вдасться не тільки синтезувати чорну дірку, а й змоделювати Великий Вибух, що дозволило б відтворити процес утворення багатьох космічних об'єктів, у тому числі й планети Земля. Проте експеримент провалився, оскільки енергії для створення чорних дірок не вистачило.
Гравітація є основним предметом багатьох із цих питань. Це визначальна сила в космосі. Вона утримує планети на їхніх орбітах, пов'язує зірки та галактики, визначає долю нашого Всесвіту. Створений Ісааком Ньютоном у 17-му столітті теоретичний опис гравітації залишається досить точним, щоб обчислювати траєкторії космічних кораблів при польотах до Марса, Юпітера та ще далі. Але після 1905 р., коли Альберт Ейнштейн показав у спеціальній теорії відносності, що моментальна передача інформації неможлива, фізики зрозуміли, що закони Ньютона перестануть бути адекватними, коли швидкість викликаного гравітацією руху наблизиться до швидкості світла. Проте, загальна теорія відносності Ейнштейна (опублікована 1916 р.), досить послідовно описує навіть ті ситуації, коли гравітація надзвичайно сильна. Загальну теорію відносності розглядають як із двох стовпів фізики 20-го століття; другий - це квантова теорія, революція в уявленнях, яка передбачила наше сучасне розуміння атомів та їх ядер. Інтелектуальний подвиг Ейнштейна був особливо вражаючим, тому що, на відміну від піонерів квантової теорії, у нього не було стимулу у вигляді експериментальної проблеми. Ейнштейн. На початку 60-х були виявлені об'єкти з дуже великою світністю - квазари. Здавалося, що їм необхідне ще ефективніше джерело енергії, ніж ядерний синтез, завдяки якому світять зірки; гравітаційний колапс здавався найпривабливішим поясненням. Американський теоретик Томас Голд висловив збудження, яке тоді охопило теоретиків. У післяобідній доповіді на першій великій конференції про новий об'єкт релятивістської астрофізики, що відбулася в Далласі в 1963 р., він сказав: "Релятивісти з їхніми витонченими роботами не лише є блискучою окрасою культури, але вони можуть бути корисні науці! Всі задоволені: релятивісти, які відчувають, що їхня праця визнана, що вони несподівано стали експертами в області, про існування якої вони й не підозрювали, астрофізики, які розширили своє поле діяльності... Все це дуже приємно, сподіватимемося, що це правильно. нові методи радіо- та рентгенівської астрономії, підтримали оптимізм Голда. У 1950-х найкращі оптичні телескопи світу були зосереджені Сполучених Штатах, особливо у Каліфорнії. Це переміщення з Європи відбулося як через кліматичні, так і фінансові причини. Однак радіохвилі з космосу можуть проходити крізь хмари, тому в Європі та Австралії нова наука – радіоастрономія – могла розвиватися, не відчуваючи впливу погодних умов. Деякі з найсильніших джерел космічного радіошуму були ідентифіковані. Одним була Крабовидна туманність - залишки вибуху наднової, що розширюються, яку східні астрономи спостерігали в 1054 р. Інші джерела були віддаленими позагалактичними об'єктами, в яких, як ми тепер розуміємо, вироблення енергії здійснювалося біля гігантських чорних дірок. Ці відкриття були несподіваними. Найвідомішим несподіваним досягненням радіоастрономії було відкриття нейтронних зірок в 1967 р. Ентоні Хьюїшем і Джоселін Белл. Ці зірки – щільні залишки, що залишаються в центрі після деяких вибухів наднових. Вони були відкриті як пульсари: вони обертаються (іноді з частотою кілька разів на секунду) і випускають потужний промінь радіохвиль, який проходить через нашу лінію зору один раз за оборот. Важливість нейтронних зірок полягає в їх екстремальних фізичних умовах: колосальних щільностях, сильних магнітних та гравітаційних полях. Ретельні спостереження показали, що частота імпульсів поступово зменшується. Це було природним, якщо енергія обертання зірки поступово перетворюється на вітер із частинок, які підтримують свічення туманності у блакитному світлі. Цікаво, що частота імпульсів пульсара – 30 за секунду – така висока, що око бачить його як постійне джерело. Якби він був таким же яскравим, але обертався повільніше – скажімо, 10 разів на секунду – чудові властивості цієї маленької зірки могли б бути відкриті ще 70 років тому. Як змінилося б розвиток фізики 20-го століття, якби надщільна речовина була відкрита в 1920-х роках, перш ніж нейтрони були відкриті на Землі? Хоча цього ніхто не знає, безперечно, що важливість астрономії для фундаментальної фізики була б усвідомлена набагато раніше. Нейтронні зірки були виявлені випадково. Ніхто не очікував, що вони випромінюватимуть такі сильні та чіткі радіоімпульси. Якби теоретиків на початку 1960-х років запитали, як краще виявити нейтронні зірки, більшість запропонувала б шукати рентгенівське випромінювання. Дійсно, якщо нейтронні зірки випромінюють стільки ж енергії, як і звичайні зірки, з набагато меншою площею, вони повинні бути достатньо гарячими, щоб випускати рентгенівські промені. Таким чином, здавалося, що астрономи, що працюють у рентгенівському діапазоні, мали кращі можливості відкрити нейтронні зірки. Рентгенівська астрономія, як і радіоастрономія, отримала імпульс до розвитку внаслідок використання військових технологій та досвіду. У цій галузі вчені зі США зайняли лідируючу позицію, особливо покійний Герберт Фрідман та його колеги з Військово-морської дослідницької лабораторії США. Їхні перші рентгенівські детектори, встановлені на ракетах, працювали лише по кілька хвилин, перш ніж впасти на землю. Великого прогресу рентгенівська астрономія досягла у 1970-х роках, коли НАСА запустило перший рентгенівський супутник, який збирав інформацію протягом кількох років. Цей проект і багато що послідували за ним показали, що рентгенівська астрономія відкрила важливе нове вікно у Всесвіт. Рентгенівські промені випромінюються незвичайно гарячим газом і особливо потужними джерелами. Тому на рентгенівській карті неба виділяються найгарячіші та найпотужніші об'єкти в космосі. Серед них - нейтронні зірки, в яких маса, принаймні не менша за масу Сонця, зосереджена в обсязі з діаметром трохи більше 10 кілометрів. Сила тяжіння на них така сильна, що релятивістські поправки доходять до 30%. В даний час передбачається, що деякі залишки зірок при колапсі можуть перевершити щільність нейтронних зірок і перетворитися на чорні дірки, які спотворюють час і простір ще більше, ніж нейтронні зірки. Астронавт, який наважиться потрапити всередину горизонту чорної дірки, не зможе передати світлові сигнали в навколишній світ - начебто сам простір засмоктується всередину швидше, ніж світло рухається через нього. Зовнішній спостерігач ніколи не дізнається про остаточну долю астронавта. Йому здаватиметься, що будь-який годинник, падаючи всередину, йтиме все повільніше і повільніше. Так і астронавт буде ніби прибитий до горизонту, зупинившись у часі. Російські теоретики Яків Зельдович та Ігор Новіков, які досліджували, як спотворюється час біля об'єктів, що сколапсували, запропонували на початку 1960-х термін "замерзлі зірки". Термін "чорна діра" був введений у вжиток у 1968 р. , коли Джон Уілер описав, як "світло і частинки, що падають зовні... падають на чорну дірку, тільки збільшуючи її масу і гравітаційне тяжіння". Але зараз є переконливі свідчення того, що чорні дірки з масами в мільйони або навіть мільярди мас Сонця, існують у центрах більшості галактик. Деякі з них виявляють себе як квазари - згустки енергії, які світять яскравіше за всіх зірок галактик, в яких вони знаходяться, або як потужні джерела космічного радіовипромінювання. Інші, включаючи чорну дірку в центрі нашої Галактики, не виявляють такої активності, але впливають на орбіти зірок, що підходять близько до них. як утворилася певна чорна діра чи якісь об'єкти поглинені їй. У 1963 р. новозеландець Рой Керр виявив рішення рівнянь Ейнштейна, які описували сколапсував об'єкт, що обертається. "Рішення Керра" набуло дуже важливого значення, коли теоретики зрозуміли, що воно описує простір-час біля будь-якої чорної діри. Колапсуючий об'єкт швидко приходить у стандартизований стан, що характеризується всього двома числами, що вимірюють його масу та спин. Роджер Пенроуз, фахівець у математичній фізиці, який, можливо, зробив найбільше для відродження теорії відносності в 1960-х, зауважив: "Є якась іронія в тому, що для найдивнішого і найменш знайомого астрофізичного об'єкта - чорної діри - наша теоретична картина найповніша". Виявлення чорних дірок проклало шлях до перевірки найбільш чудових наслідків теорії Ейнштейна. Випромінювання таких об'єктів зумовлено переважно гарячим газом, що падає по спіралі в "гравітаційну яму". Воно показує сильний ефект Доплера, а також має додаткове червоне усунення через сильне гравітаційне поле. Спектроскопічне дослідження цього випромінювання, особливо рентгенівського, дозволить прозондувати потік дуже близько до чорної дірки та визначити, чи узгоджується форма простору з прогнозами теорії.
