Забарвлення чорна діра. Типи чорних дірок

Чорні діри є одними з найдивовижніших і водночас лякаючих об'єктів нашого Всесвіту. Виникають вони у той час, як у зірках, мають величезну масу, закінчується ядерне паливо. Ядерні реакції припиняються і світила починають остигати. Тіло зірки стискається під дією гравітації і поступово вона починає притягувати до себе дрібніші об'єкти, трансформуючись у чорну дірку.

Перші дослідження

Вивчати чорні діри світила науки почали нещодавно, незважаючи на те, що основні концепції їх існування були розроблені ще в минулому столітті. Саме поняття «чорної дірки» було введено в 1967 році Дж. Віллером, хоча висновок про те, що ці об'єкти неминуче виникають при колапсі масивних зірок, було зроблено ще в 30-х роках минулого сторіччя. Все, що всередині чорної діри - астероїди, світло, поглинені нею комети, - колись наблизилося надто близько до меж цього загадкового об'єкта і не зуміло їх покинути.

Кордони чорних дірок

Перша з меж чорної дірки називається межею статичності. Це межа області, потрапляючи у яку сторонній об'єкт не може перебувати у стані спокою і починає обертатися щодо чорної діри, щоб утриматися від падіння у ній. Другий кордон називається горизонтом подій. Все, що всередині чорної дірки, колись проходило її зовнішню межу і рухалося до точки сингулярності. На думку вчених, тут речовина вливається до цієї центральної точки, щільність якої прагне значення нескінченності. Люди не можуть знати, які закони фізики діють усередині об'єктів з такою густиною, і тому описати характеристики цього місця неможливо. У буквальному значенні слова воно є «чорною діркою» (або, можливо, «пробілом») у знаннях людства про навколишній світ.

Будова чорних дірок

Горизонтом подій називається неприступна межа чорної дірки. Усередині цього кордону знаходиться зона, яку можуть залишити навіть об'єкти, швидкість руху яких дорівнює швидкості світла. Навіть кванти самого світла не можуть залишити обрій подій. Перебуваючи в цій точці, ніякий предмет не може вирватися з чорної дірки. Про те, що всередині чорної дірки, ми не можемо дізнатися за визначенням – адже в її глибинах знаходиться так звана точка сингулярності, яка формується за рахунок граничного стиснення речовини. Коли об'єкт потрапляє всередину обрії подій, з цього моменту він ніколи не зможе вирватися знову з неї і стати видимим для спостерігачів. З іншого боку, ті, хто знаходяться всередині чорних дірок, не можуть бачити нічого з того, що відбувається зовні.

Розмір горизонту подій, що оточує цей загадковий космічний об'єкт, завжди прямо пропорційний масі самої дірки. Якщо її маса буде подвоєна, то вдвічі більше стане і зовнішній кордон. Якби вчені змогли знайти спосіб, що дозволяє перетворити Землю на чорну дірку, то розмір горизонту подій становив би лише 2 см у поперечному розрізі.

Основні категорії

Як правило, маса середньостатистичних чорних дірок приблизно дорівнює трьом сонячним масам і більше. З двох видів чорних дірок виділяють зіркові, а також надмасивні. Їхня маса перевищує масу Сонця в кілька сотень тисяч разів. Зоряні утворюються після смерті великих небесних світил. Чорні дірки звичайної маси з'являються після завершення життєвого циклу великих зірок. Обидва види чорних дірок, незважаючи на різне походження, мають схожі властивості. Надмасивні чорні дірки розташовані у центрах галактик. Вчені припускають, що вони сформувалися в часи освіти галактик за рахунок злиття зірок, що щільно прилягають один до одного. Однак це лише припущення, не підтверджені фактами.

Що всередині чорної дірки: здогадки

Деякі з математиків вважають, що всередині цих загадкових об'єктів Всесвіту знаходяться так звані червоточини - переходи до інших Всесвітів. Іншими словами, у точці сингулярності розташований просторово-часовий тунель. Ця концепція послужила для багатьох письменників та режисерів. Проте переважна більшість астрономів вважають, що жодних тунелів між Всесвітами немає. Однак навіть якби вони справді були, у людини немає жодних способів дізнатися, що знаходиться усередині чорної дірки.

Існує й інша концепція, згідно з якою в протилежному кінці такого тунелю знаходиться біла дірка, звідки з нашого Всесвіту в інший світ через чорні дірки надходить гігантська кількість енергії. Однак на даному етапі розвитку науки і техніки про подібні подорожі не може бути й мови.

Зв'язок із теорією відносності

Чорні дірки є одним із найдивовижніших передбачень А. Ейнштейна. Відомо, що сила тяжіння, що створюється на поверхні будь-якої планети, обернено пропорційна квадрату її радіусу і прямо пропорційна її масі. Для цього небесного тіла можна визначити поняття другої космічної швидкості, яка потрібна, щоб подолати цю силу тяжіння. Для Землі вона дорівнює 11 км/сек. Якщо ж маса небесного тіла збільшуватиметься, а діаметр – навпаки, зменшуватиметься, то друга космічна швидкість згодом може перевищити швидкість світла. І оскільки, згідно з теорією відносності, ніякий об'єкт не може рухатися швидше за швидкість світла, то утворюється об'єкт, що не дає нічому вирватися за його межі.

У 1963 році вченими були виявлені квазари - космічні об'єкти, які є величезними джерелами радіовипромінювання. Розташовуються вони дуже далеко від нашої галактики - їхня віддаленість становить мільярди світлових років від Землі. Щоб пояснити надзвичайно високу активність квазарів, вчені запровадили гіпотезу про те, що всередині них розташовані чорні дірки. Ця думка зараз є загальноприйнятою в наукових колах. Дослідження, які проводилися протягом останніх 50 років, не лише підтвердили цю гіпотезу, а й привели вчених до висновку про те, що чорні дірки є у центрі кожної галактики. У центрі нашої галактики також є такий об'єкт, його вага становить 4 мільйони сонячних мас. Ця чорна діра зветься «Стрілець А», і оскільки вона розташована найближче до нас, її найбільше досліджують астрономи.

Випромінювання Хокінга

Цей тип випромінювання, відкритий відомим фізиком Стівеном Хокінгом, значно ускладнює життя сучасним вченим - адже через це відкриття теоретично чорних дірок з'явилося чимало труднощів. У класичній фізиці є поняття вакууму. Цим словом позначається повна порожнеча та відсутність матерії. Проте з розвитком квантової фізики поняття вакууму було змінено. Вчені з'ясували, що його заповнено так званими віртуальними частинками - під впливом сильного поля вони можуть перетворитися на реальні. У 1974 році Хокінг з'ясував, що подібні перетворення можуть відбуватися у сильному гравітаційному полі чорної дірки – біля її зовнішнього кордону, обрії подій. Таке народження є парним – з'являється частка та античастка. Як правило, античастка приречена на падіння в чорну дірку, а частка відлітає. В результаті вчені спостерігають деяке випромінювання довкола цих космічних об'єктів. Воно й отримало назву випромінювання Хокінга.

У ході цього випромінювання речовина, що всередині чорної дірки, повільно випаровується. Діра втрачає масу, при цьому інтенсивність випромінювання обернено пропорційна величині квадрата її маси. Інтенсивність випромінювання Хокінга мізерно мала за космічними мірками. Якщо припустити, що існує дірка масою в 10 сонців, і на неї не потрапляє ні світло, ні будь-які матеріальні об'єкти, то навіть у цьому випадку її розпад буде жахливо велике. Життя такої дірки перевершуватиме весь час існування нашого Всесвіту на 65 порядків.

Питання збереження інформації

Однією з основних проблем, яка постала після відкриття випромінювання Хокінга, є проблема втрати інформації. Пов'язана вона з питанням, що на перший погляд здається дуже простим: що станеться, коли чорна діра випарується повністю? Обидві теорії - як квантова фізика, і класична - мають справу з описом стану системи. Маючи інформацію про початковому стані системи, з допомогою теорії можна описати, як вона змінюватиметься.

При цьому в процесі еволюції інформація про початковий стан не втрачається - діє своєрідний закон про збереження інформації. Але якщо чорна дірка випарується повністю, то спостерігач втрачає інформацію про ту частину фізичного світу, що колись потрапив у дірку. Стівен Хокінг вважав, що інформація про початковий стан системи якимось чином відновлюється після того, як чорна дірка повністю випарувалася. Але складність полягає в тому, що за визначенням із чорної діри передача інформації неможлива - ніщо не може залишити обрій подій.

Що буде, якщо потрапиш у чорну дірку?

Вважається, що якби якимось неймовірним способом людина могла потрапити на поверхню чорної дірки, то вона відразу почала б її затягувати у напрямку себе. Зрештою, людина б розтягнулася настільки, що перетворилася б на потік субатомних частинок, що рухаються у напрямку до точки сингулярності. Довести цю гіпотезу, звичайно ж, неможливо, адже вчені навряд чи зможуть дізнатися, що відбувається всередині чорних дірок. Зараз деякі фізики заявляють, що якби людина потрапила до чорної діри, то в неї з'явився б клон. Перша з його версій відразу ж була б знищена потоком розпечених частинок випромінювання Хокінга, а друга пройшла б через обрій подій без можливості повернутися назад.

Всеросійський конкурс юнацьких досліджень ім. В. І. Вернадського 2013-14 року

1. Введення
Мене звуть Сашко Войнов. Мені 8 років. Я навчаюся у другому класі. Мені дуже подобається спостерігати зірки. Я люблю вивчати все, що пов'язане із космосом. У Всесвіті чимало загадкових та недостатньо вивчених об'єктів. Одними із найцікавіших об'єктів є чорні дірки. Багато хто вважає, що чорні дірки не існують. Я спробую довести, що вони є.
Тема чорних дірок є однією з найактуальніших тем сучасної астрономії, астрофізики та космології, оскільки ці об'єкти допомагають краще зрозуміти пристрій нашого всесвіту, з моменту великого вибуху до теперішнього дня, а також дозволять зрозуміти, що буде з нашим всесвітом у майбутньому.
Мета дослідження: сформувати поняття «чорна дірка космосу».

Завдання:
1. Вивчити історію виникнення питання про чорні діри.
2. Систематизувати та вивчити інформацію про чорні діри (виникнення, властивості).
3. Провести досліди.
Методи дослідження: робота з літературними джерелами та Інтернет – ресурсами, експеримент.
Новизна дослідження: термін «Чорна діра» з'явився давно, проте повного дослідження чорних дірок досі не проведено. Мною були придумані досліди з метою пояснити деякі властивості чорних дірок.
Огляд літератури:
Джерело інформації Що я дізнався
Хокінг С. Три книги про простір та час. Історія появи ідеї про «Чорні діри»; як з'являються чорні дірки, поняття колапс зірки; що означає спотворення простору; де живуть чорні дірки
КВП С. Торн. Чорні дірки та складки часу: Зухвала спадщина Ейнштейна. Як відбувається спотворення простору та часу; внесок Ейнштейна у розвитку теорії існування чорних дірок
Ян Ніколсон. Всесвіт. Серія «Життя планети» Що означає надмасивні зірки, порівняння розмірів сонця, зірок з розмірами автомобіля
Я пізнаю світ: Діт. енцикл.: Фізика Загальні відомості про чорну дірку: історія, як з'являються
Я пізнаю світ: Діт. енцикл.: Космос Історія виникнення терміна «Чорна діра»
Енциклопедичний словник молодого фізика. Що означає: гравітація, маса, тяжіння, частка; робота Ньютона - світло складається з частинок
Енциклопедичний словник молодого астронома. Теорії виникнення чорних дірок
Новини про космос та НЛО Картинки та фото із зображенням чорних дір
WWalls.RU: шпалери на робочий стіл. Космос Зображення та фото із зображенням чорних дір

2. Історія ідеї
Термін «ЧОРНА ДІРА» з'явився зовсім недавно, у ХХ столітті. Його вигадав американський вчений Джон Віллер.
Однак спроби пояснити це загадкове явище були зроблені давно близько 200 років тому.
Ісаак Ньютон вважав, що світло складається з частинок. Значить, він має масу і на нього діє гравітація.
Виходячи з цього, англійський астроном Джон Мічелл припустив, що в природі можуть існувати такі потужні зірки, що навіть промінь світла не здатний покинути їхню поверхню.
Великий вчений Альберт Ейнштейн теоретично довів можливість існування чорних дірок.
У 1934 році американські фізики висунули гіпотезу про вмирання зірки. А вже 1939 року довели, що: «Чорна діра все поглинає і нічого не випускає!»

3.Теорії виникнення чорних дірок:
Як формуються (виникають) чорні дірки? Існує три теорії виникнення чорних дірок:
1. Колапс зірки під впливом своєї сили гравітації: великі зірки існують з допомогою своєї енергії. Зірка живе, доки скінчиться ця енергія. При зменшенні розмірів зірки її щільність збільшується, що призводить до збільшення маси зірки. Якщо маса зірки буде більшою за три сонячні, то це призводить до колапсу зірки.
2. 14 млрд. років тому почалося розширення нашого Всесвіту. Існує теорія, що сто на той час висока щільність спостерігалася всюди. Тому невеликі зміни щільності в ту епоху могли призводити до народження чорних дірок будь-якої маси, у тому числі й малої.
3. Існує припущення, що чорні дірки можуть виникнути під час зіткнення швидких елементарних частинок. При сильному зіткненні двох частинок можуть стиснутися досить сильно, щоб народилася мікроскопічна чорна діра. Після цього вона майже миттєво зруйнується.

4.Властивості чорних дірок
1) Поблизу чорної діри час тече повільніше, ніж далеко від неї. Якщо спостерігач, який знаходиться на деякій відстані від чорної діри, кине в бік чорної діри предмет, що світиться, наприклад ліхтар, то побачить, як він падатиме все швидше і швидше, але потім почне сповільнюватися, а його світло тьмянітиме і червонітиме. З погляду далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимим, так і не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом із ліхтарем, то він за короткий час упав до центру чорної діри, будучи при цьому розірваний її потужними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру. Тобто якщо щось (хтось) проникне за обрій подій, то ніколи не повернеться.
2) Якщо тіло, з якого виникла чорна дірка, оберталося, то навколо чорної дірки зберігається "вихрове" гравітаційне поле (воронка), що захоплює всі сусідні тіла у обертальний рух навколо неї.
3)Коли тіло стискається в чорну дірку, то всі його характеристики, крім маси, електричного заряду та моменту імпульсу, зникають (такі, як склад, щільність, об'єм та ін.).
4) Кордон чорної дірки називається горизонтом подій. Речовиною, яка потрапляє в обрій подій чорної діри, неодмінно буде утворена сингулярність (область нескінченно малих розмірів) з незмірно величезною щільністю, через яку вся речовина зірки руйнується.
5) Чорна дірка може дуже повільно "випаровуватися". Це відкрив Стівен Хокінг. Їм було доведено, що чорні дірки здатні випускати речовину та випромінювання, але це можна помітити лише в тому випадку, якщо маса самої чорної діри досить низька.
6) Чорна діра має величезний, невичерпний запас енергії.

5.Де знаходяться чорні дірки?
Найперше питання, яке хвилює людей у ​​проблемі чорних дірок, це прагнення дізнатися, де взагалі знаходяться чорні дірки. Насправді чорні дірки розкидані по всьому Всесвіту. Чорна діра може утворитися в будь-якому місці, у тому числі й поряд із Сонячною системою.

6.Опис досвідів
Перший досвід «Невидима реальність»
Уявіть, що наша Земля – це Всесвіт, а все, що на ньому знаходиться (люди, тварини, рослини) – це об'єкти Всесвіту (тобто зірки, планети, комети). Якщо заплющити очі, то ми нічого не побачимо, але це не означає, що все навколо нас зникло.
Другий досвід «Спотворення простору»
Візьмемо аркуш паперу та поставимо дві точки. З'єднаємо точки прямої. Відстань між точками визначимо за допомогою лінійки. Тепер зім'ятаємо лист. Відстань між точками зменшилась. Таким чином, можна говорити про зміну простору усередині чорної дірки.
Третій досвід «Колір чорної дірки»
Візьмемо дві коробки із невеликими круглими отворами. Одну всередині пофарбуємо білим кольором, а іншу чорним. Подивимося в отвори у коробках. В обох коробках нічого не видно. Помістимо предмети – їх також не видно. Тому можна говорити, що всередині чорні дірки необов'язково чорні. Звідси випливає, що чорні дірки необов'язково чорні.
8.Висновки
Отже, на мій погляд, у рамках своєї роботи мені вдалося сформувати розуміння того, що таке чорна діра: я вивчив літературу, систематизував отриману інформацію, познайомився з історією цього питання, розглянув властивості чорних дірок та провів досліди.
Чорні дірки - абсолютно дивовижні об'єкти, не схожі ні на що, відоме досі. Це дірки в просторі і часі, що виникають через дуже сильне викривлення простору і зміни характеру перебігу часу в гравітаційному полі, що стрімко наростає. У подальшому я хочу продовжити свою роботу з вивчення цих найцікавіших об'єктів, оскільки чорні дірки мають величезну енергію, яку можна використовувати для потреб людства.

Список літератури
1. Хокінг С. Три книги про простір та час. Переклад з англ. - СПб.: Амфора. ТІД Амфора, 2012. с. 106-109, 123-127, 330-340.
2. КВП С. Торн. Чорні дірки та складки часу: Зухвала спадщина Ейнштейна. Переклад з англ. За ред. Чл.-кор. Ран В.Б. Брагінського. - М.: Видавництво фізико-математичної літератури, 2009, с. 23, 122-124.
3. Ян Ніколсон. Всесвіт. Серія "Життя планети" - М.: "Росмен", 2000. с. 21-22.
4. Я пізнаю світ: Діт. енцикл.: Фізика / Упоряд., худож. А.А. Леонович; За заг. ред. О. Г. Хін. - М.: ТОВ Фірма «Видавництво АСТ», 1999.
5. Я пізнаю світ: Діт. енцикл.: Космос / Авт. - Упоряд. Т.І. Гонтарук - М.: ТОВ Фірма «Видавництво АСТ», 1999. с. 355-358.
6. Енциклопедичний словник молодого фізика. Педагогіка, 1984. с. 286.
7. Енциклопедичний словник молодого астронома. Педагогіка, 1986. с. 298-301.
8. Новини про космос та НЛО // Персональний сайт // (дата звернення: 15.10.13)
9. WWalls.RU: шпалери на робочий стіл. Космос / / Персональний сайт / / (Дата звернення: 15.10.13)

Що таке чорні дірки?

Діти, як ви думаєте, чи могли ви коли-небудь бачити ефект вакууму у вашій кімнаті? Коли ви щось робите, уважно стежте, тому що ви можете побачити, як бруд та крихти починають рухатися у напрямку до пилососу. Чорна діра схожа на пилосос, але лише у космосі. Проте це не потужне всмоктування, яке змушує речі падати в чорну дірку. Сили всмоктування не будуть досить сильними. Натомість, чорна діра використовує силу тяжіння, щоб притягати все навколо.

Як формуються чорні дірки? Пояснення для дітей

Коли у великої зірки закінчується паливо, вона не може більше підтримувати свою вагу. Тиск від масивних шарів водню змушує зірку стискатися дедалі менше. Зрештою, зірка поменшає атома. Уявіть собі діти на мить, що вся зірка розчавиться в крапку, менша за атом.

Як може вийти щось менше, але зберегти кількість маси?

Насправді, все дуже просто. Візьміть діти губку розміром з пляшку, ви легко можете роздавити її в руках. Але цікавий момент. Якщо ви робите щось менше, стискаючи її, її гравітація стає сильнішою. Уявіть діти, якщо ви стискаєте зірку в розмір атома, наскільки потужним стане її гравітація?

Гравітація чорної діри настільки потужна, що поглинає все, навіть світло, яке проходить надто близько. Цілком вірно, навіть світло не може уникнути чорну дірку.

Будова чорної дірки. Астрономія для дітей

Чорні дірки складаються із трьох основних частин. Зовнішній шар чорної дірки називається зовнішнім обрієм подій. Усередині зовнішнього горизонту подій ви ще можете вирватися від гравітації чорної дірки, тому що сила тяжіння тут не така сильна. Середній шар чорної дірки називається внутрішнім горизонтом подій. Якщо ви не уникнули сили тяжіння чорної дірки, перш ніж увійшли до внутрішнього обрію подій, то ви, діти, втратили свій шанс. Сила тяжкості в цьому шарі набагато сильніша і не відпускає об'єкти, які вона захоплює. У цей момент ви починаєте падати до центру чорної дірки. Центр чорної діри має назву Сингулярність. Це дивне слово означає розчавлену зірку. Сингулярність, це місце, де гравітація чорної дірки найсильніша.

Як ви можете потрапити до чорної діри?

Подумайте про землю. Якщо ви наближаєтеся надто близько до Землі, ви стикаєтеся з її гравітацією. На Землі ви могли б знову відлетіти в космос на ракеті. Тим не менш, якщо ви впадете в чорну дірку, то у вас, діти, немає жодної можливості вибратися, оскільки гравітація дуже сильна.

На частині гравітаційна дія ще до того, як він встигне щось побачити. Вчені проводили всі підрахунки для найпростішої сферично-симетричної чорної дірки, радіус якої дорівнює радіусу Шварцшильда Чорні дірки, що утворюються при колапсі зірок, мають більш складні характеристики. Однак, як зазначають автори, з часом вони стають дедалі більшими...

https://www.сайт/journal/117634

Тобто приблизно 1,6 х 10-35 метра. Розрахунки показують, що в подібних масштабах можливе утворення мікроскопічних чорних дір. Нагадаємо, що згідно з сучасними уявленнями, час життя подібних об'єктів вкрай мало - вони випаровуються в... Хокінга. Однак дослідники показали, що в рамках їхньої гіпотези чорні діркиможуть бути в деякому стійкому стані. Розрахунки показують, що такі чорні діркиволодітимуть властивостями, подібними до елементарних частинок. Зокрема, ...

https://www.сайт/journal/118249

Розповідається на засіданні Американського астрономічного товариства (American Astronomical Society). Астрономи вважають, що деякі надмасивні чорні дірки, розташовані в сусідніх галактиках, щонайменше вдвічі, а може і в чотири, ... Відкриття може змінити уявлення про те, як вперше формуються галактики і яку роль відіграють у всесвіті чорні дірки. Наприкінці минулого місяця група дослідників під керівництвом Ендрю Фабіана (Andrew Fabian), Кембриджський університет...

https://www.сайт/journal/118608

Досягати 400 тисяч світлових років. За словами дослідників, 10-20 відсотків всього заліза в галактиках може переноситися з місця на місце чорними дірами. Крім цього, вчені встановили, що викиди компактного об'єкта призводять до утворення в навколишньому. діркугазі колосальних порожнин. Розміри деяких із них досягають 670 тисяч світлових років. Спеціально для вивчення...

https://www.сайт/journal/120495

Працюючі нині США, запропонували спосіб створити пристрій, властивості якого нагадуватимуть властивості чорних дір. В основі такого пристрою повинна лежати циліндрична структура, оболонка і внутрішня частина якої розрізняються... поглиналося. Автори нової роботи реалізували ідею російських вчених практично. Для створення мікрохвильової чорної діркидослідники скористалися метаматеріалами - особливими речовинами, які можуть специфічно викривляти шляхи, що проходять крізь них.

https://www.сайт/journal/121214

Згинатися, рухаючись спіраллю до його центру - зовсім, як у чорної дірки, хоч і зовсім з інших причин. Якщо чорна діркадіє завдяки своїй колосальній силі тяжіння, інструмент, придуманий Нарімановим і Кілдішевим, ... чорну дірку», здатну вловлювати та поглинати мікрохвильове випромінювання. Пристрій є циліндром, що складається з 60-ти кільцевих шарів пористих метаматеріалів.

https://www.сайт/journal/121533

Що J0005-0006 та J0303-0019 утворилися невдовзі після Великого вибуху, визначивши масу їх чорних дір. Чим більше розігрітого пилу знаходиться в квазарі, тим більша маса чорної дірки(У неї багато "їжі" для зростання). Маси чорних дір J0005-0006 і J0303-0019 виявилися найменшими з усіх відомих квазарів молодого Всесвіту. Нещодавно...

https://www.сайт/journal/124842

Ейнштейна-Розена. Ці об'єкти є гіпотетичні тунелі, що з'єднують різні регіони простору. Поплавськи вважає, що інший кінець червоточини чорної діркиз'єднаний з білою дірою(антипод чорної дірки- Область простору, в яку ніщо не може потрапити). При цьому всередині червоточини виникають умови, що нагадують Всесвіт, що розширюється, аналогічний спостерігається нами...

Саме згубне місце.

Немає в космосі загадковішого і лякаючого об'єкта, ніж чорна діра.
Одне словосполучення вже наводить несвідомий страх: воно малює образ безодні, що все поглинає. Перед нею бояться не тільки обивателі, але тремтять і астрофізики. «Зі всіх творінь людського розуму: від міфологічних єдинорогів і драконів до водневої бомби, мабуть, найфантастичніше – це чорна діра. Діра в просторі з цілком конкретними краями, в яку може провалитися все, що завгодно і з якої ніщо не в змозі вибратися. Діра, в якій гравітаційна сила така велика, що навіть світло захоплюється і утримується в цій пастці. Діра, яка викривляє простір та спотворює плин часу. Подібно до однорогів і драконів чорні діри здаються, швидше, атрибутами наукової фантастики чи давніх міфів, ніж реальними об'єктами. Проте з фізичних законів неминуче випливає існування чорних дірок. В одній нашій Галактиці їх, можливо, мільйони», - так сказав про чорні діри відомий вчений, завідувач кафедри Каліфорнійського технологічного інституту (США), член Національної академії наук США, член вченої ради NASA Кіп Стівен Торн.
Крім своєї фантастичної потужності чорні дірки мають дивовижну властивість змінювати в собі простір і час. Вони спочатку закручуються у своєрідну вирву, а потім, перейшовши якийсь кордон у глибині дірки, розпадаються на кванти. Усередині чорної дірки, за краєм цієї своєрідної гравітаційної прірви, звідки немає виходу, течуть дивовижні фізичні процеси, проявляються нові закони природи.
На думку багатьох фахівців, чорні дірки є найграндіознішими джерелами енергії у Всесвіті. Ми, мабуть, спостерігаємо їх у далеких квазарах, у вибухових ядрах галактик. Передбачається, що чорні дірки у майбутньому стануть джерелами енергії для людства.

Кінець світу знаходиться тут.

Як утворюються чорні дірки? За словами астрофізиків, більшість із них виникає після смерті великих зірок. Якщо маса зірки вдвічі перевищує сонячну, то до кінця свого життя зірка може вибухнути як наднова. Але якщо маса речовини, що залишилася після вибуху, все ще перевершує дві сонячні, то зірка повинна стиснутися в крихітне щільне тіло, оскільки гравітаційні сили повністю пригнічують будь-який внутрішній опір стиску. Вчені вважають, що саме на цей момент катастрофічний гравітаційний колапс призводить до виникнення чорної діри. Вони вважають, що із закінченням термоядерних реакцій зірка вже не може перебувати у стійкому стані. Тоді для масивної зірки залишається один неминучий шлях - шлях загального і повного стиску, що перетворює її на невидиму чорну дірку.
А чому вони невидимі?
– Сама назва «чорні дірки» говорить про те, що це клас об'єктів, які не можна побачити, – пояснює завідувач відділу радіоастрономії Державного астрономічного інституту ім. Штернберг кандидат фізико-математичних наук Валентин Єсипов. - Їхнє гравітаційне поле настільки сильне, що якби якимось шляхом вдалося опинитися поблизу чорної дірки і направити вбік від її поверхні промінь найпотужнішого прожектора, то побачити цей прожектор було б не можна навіть з відстані, що не перевищує відстань від Землі до Сонця.
Дійсно, навіть якби ми змогли сконцентрувати все світло Сонця в цьому потужному прожекторі, ми не побачили б його, оскільки світло не змогло б подолати вплив на нього гравітаційного поля чорної дірки та залишити її поверхню. Саме тому така поверхня називається абсолютним обрієм подій. Вона є межею чорної діри. А що там ховається за кордоном?

Прогуляємось до Ада.

Найцікавіший опис «нутра» чорної діри належить вже згадуваному американському фізику і астроному Кіпу Стівену Торну. «Уявіть себе капітаном великого космічного корабля зіркового класу, – пропонує вчений у своїй книзі «Подорож серед чорних дірок». - За завданням Географічного товариства вам доведеться дослідити кілька чорних дірок, що знаходяться на великих відстанях один від одного в міжзоряному просторі, і за допомогою радіосигналів передати на Землю опис своїх спостережень.

Пробувши в дорозі 4 роки і 8 місяців, ваш корабель гальмує на околицях найближчої до Землі чорної дірки, яка отримала назву Гадес (Пекло) і розташована поблизу зірки Веги. На телеекрані помітна присутність чорної дірки: атоми водню, розсіяні в міжзоряному просторі, втягуються її гравітаційним полем. Скрізь ви бачите їхній рух: повільний далеко від дірки і дедалі швидший у міру наближення до неї. Це нагадує падіння води в Ніагарському водоспаді за винятком того, що атоми падають не лише зі сходу, а й із заходу, півночі, півдня, зверху та знизу – звідусіль. Якщо ви нічого не зробите, то теж виявитеся втягнуті всередину.

Отже, вам належить з найбільшою обережністю перевести зореліт з траєкторії вільного падіння на кругову орбіту навколо чорної діри (подібну до орбіт штучних супутників, що обертаються навколо Землі) так, щоб відцентрова сила вашого орбітального руху компенсувала силу тяжіння чорної діри. Відчувши себе у безпеці, ви включаєте двигуни корабля і готуєтеся до вивчення чорної дірки.

Насамперед у телескопи ви спостерігаєте електромагнітне випромінювання, що випромінюється падаючими атомами водню. Вдалині від чорної діри вони настільки холодні, що випромінюють лише радіохвилі. Але ближче до дірки, там, де атоми падають швидше, вони іноді стикаються між собою, нагріваються до кількох тисяч градусів і починають випромінювати світло. Ще ближче до чорної діри, рухаючись набагато швидше, вони розігріваються за рахунок зіткнень до кількох мільйонів градусів і випромінюють рентгенівське випромінювання.

Спрямовуючи свої телескопи «всередину» і продовжуючи наближатися до чорної дірки, ви «побачите» гамма-промені, що випускаються атомами водню, нагрітими до ще більш високих температур. І нарешті, у самому центрі ви виявите темний диск найчорнішої дірки.
Наступний ваш крок – ретельно виміряти довжину орбіти корабля. Це приблизно 1 млн км, або половина довжини орбіти Місяця навколо Землі. Потім ви дивитеся на далекі зірки і бачите, що вони переміщаються, подібно до вас. Спостерігаючи за видимим рухом, ви з'ясовуєте, що вам необхідно 5 хв. 46 с, щоб зробити один оберт навколо чорної діри. Це і ваш «орбітальний період».

Знаючи період обігу та довжину своєї орбіти, ви можете розрахувати масу чорної діри Гадес (Пекло). Вона буде в 10 разів більша за сонячну. Це, по-суті, повна маса, що накопичилася в чорній дірі за всю її історію і включає масу зірки, в результаті колапсу якої близько 2 млрд років тому утворилася чорна діра, масу всього міжзоряного водню, втягнутого в неї з моменту її народження, а також масу всіх астероїдів і заблукали зорельотів, що впали на неї.

Найбільш цікаві властивості її поверхні, або горизонту - межі, через яку все, що падає у дірку, вже не може повернутися. Межі, через яку не вибратися зорельоту і навіть будь-якому виду випромінювання: радіохвилям, світлу, рентгенівським або гамма-променям.
Хоча за масою і моментом кількості руху чорної діри ви можете обчислити всі її властивості зовні, ви не можете нічого дізнатися про її начинку. Вона може мати невпорядковану структуру та бути сильно несиметричною. Все це залежатиме від деталей колапсу, у результаті якого утворилася чорна дірка, а також від особливостей подальшого втягування міжзоряного водню. Тож діаметр дірки просто не можна розрахувати.

Отримавши ці результати, ви можете дослідити околиці горизонту чорної дірки.

Попрощавшись з командою, ви влазите в апарат, що спускається, і залишаєте корабель, залишаючись спочатку на тій же круговій орбіті, - продовжує фізик Торн. - Потім, включаючи ракетний двигун, трохи гальмуйте, щоб уповільнити свій орбітальний рух. При цьому ви починаєте по спіралі наближатися до обрію, переходячи з однієї кругової орбіти на іншу. Ваша мета - вийти на кругову орбіту з периметром, що трохи перевищує довжину горизонту. Оскільки ви рухаєтеся спіраллю, довжина вашої орбіти поступово скорочується - від 1 млн. км до 500 тис., потім до 100 тис., 90 тис., 80 тис. І тут починає творитися щось дивне.

Перебуваючи у стані невагомості, ви підвішені у своєму апараті, припустимо, ногами – до чорної діри, а головою – до орбіти вашого корабля та зірок. Але поступово ви починаєте відчувати, що хтось тягне вас за ноги вниз та вгору – за голову. Ви розумієте, що причина - тяжіння чорної дірки: ноги ближче до дірки, ніж голова, тому вони притягуються сильніше. Те саме справедливо, звичайно, і на Землі, але різниця в тяжінні ніг і голови там мізерна, так що ніхто цього не помічає. Рухаючись по орбіті довжиною 80 тис. км над чорною діркою, ви відчуваєте цю різницю цілком чітко - відмінність у тяжінні складе 1/8 земної сили тяжіння (1/8 g). Відцентрова сила, обумовлена ​​вашим рухом по орбіті, компенсує тяжіння дірки в центральній точці вашого тіла, дозволяючи вільно ширяти в невагомості, але на ваші ноги діятиме надмірне тяжіння 1/16 g, голова ж, навпаки, буде притягатися слабо, і відцентрова сила потягне її вгору точно з тим самим додатковим прискоренням - 1/16 g.
Дещо спантеличений, ви продовжуєте рух по спіралі, що закручується, але здивування швидко змінюється занепокоєнням: у міру зменшення розмірів орбіти, сили, що розтягують вас, будуть наростати все швидше. При довжині орбіти 64 тис. км різниця становитиме 1/4 g, при 51 тис. км - 1/2 g і за 40 тис. км вона досягне повної земної ваги. Скрипучи зубами від натуги, ви продовжуєте рух по спіралі. При довжині орбіти 25 тис. км. сила розтягування становитиме 4 g, тобто. вчетверо перевищить вашу вагу в земних умовах, а за 16 тис. км - 16 g. Більше ви не в змозі витримати у вертикальному положенні. Намагаєтеся вирішити цю проблему, згорнувшись калачиком і підтягнувши ноги до голови, зменшивши тим самим різницю сил. Але вони вже настільки великі, що не дадуть вам зігнутися - знову витягнуть вертикально (вздовж радіального по відношенню до чорної дірки).

Що б ви не робили, ніщо не допоможе. І якщо рух по спіралі продовжуватиметься, ваше тіло не витримає – його розірве на частини. Отже, досягти околиці горизонту немає жодної надії.
Розбитий, долаючи жахливий біль, ви припиняєте свій спуск і переводите апарат спочатку на кругову орбіту, а потім починаєте обережно і повільно рухатися по спіралі, що розширюється, переходячи на кругові орбіти все більшого розміру, поки не дістанетеся до зорельоту».

Викладена Торном історія поки що звучить, як фантастика. І розрахована на той час, коли людина досягне таких успіхів у розвитку техніки та технології, що стануть реальністю міжгалактичні польоти та конструювання кільцевих світів навколо чорних дірок. А за найоптимістичнішими прогнозами футурологів, це стане можливим не раніше ніж через 50 років.

Ні, хлопці, все не так...

Треба зізнатися, що багато вчених досі заперечують існування чорних дірок. Адже їх відкриття та вивчення відбувається на кінчику пера. А нещодавно з'явилося ще більш несподіване припущення, що чорні дірки - зовсім не дірки взагалі, а деякі об'єкти, більш споріднені за природою бульбашкам конденсату Бозе-Ейнштейна (агрегатний стан матерії, основу якої складають бозони, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля). Цю нову гіпотезу висунули дослідник Еміль Моттола з Теоретичного Відділення Los Alamos National Laboratory разом із співавтором Павлом Мазуром із Університету Штату Південна Кароліна у США.

Пояснення дослідників вносить кардинально новий погляд на природу чорних дірок, які видаються не як «дірки» в космосі, де речовина і світло незрозуміло зникають у зоні горизонту подій, а скоріше як сферичні порожнечі, оточені особливою формою речовини ніколи раніше невідомої на Землі. Мазур та Моттола називають ці об'єкти не чорними дірками, а гравітаційними зірками.

Усередині гравітаційної зірки простір і час змінюються місцями, як і моделі чорної діри.
Моттола і Мазур навіть висловлюють припущення, що Всесвіт, у якому ми живемо, може бути внутрішньою оболонкою гігантської гравітаційної зірки.