Скільки у Всесвіті чорних дірок? Як утворюються чорні дірки у космосі. Що якщо людина потрапить у чорну дірку

Тести

Наскільки ви уважні? А як у вас із логікою?

У цьому тесті ви зможете відповісти відразу на два питання, а після цього тесту ви зможете перевірити вашу здатність бачити різні кольори.

Почнемо з першого тесту.

Тест на уважність

Уважно подивіться на цю футболку. У ній випадково (або спеціально) праскою пропалили пару дірок.

Підказка:

Не забувайте, скільки шарів у футболки.

Скільки кольорів у палітрі

А ось ще один тест, в якому ви можете дізнатися щось цікаве та дивовижне про свій зір.

Скільки кольорів у цьому спектрі ви бачите?

Цей тест пояснює, як різні люди бачать кольори. За даними вчених, кількість кольорів, яку людина може побачити в даній картинці, залежить від колірних рецепторів та розподілу паличок та колб у людській сітківці ока.

Тільки 25% людей на планеті здатні побачити усі кольори.

А скільки квітів ви бачите?

Менше 20 відтінків:

Ви дихромат. Ваш зір можна порівняти із зором наших чотирилапих друзів собак. У вас два типи світлових рецепторів. Вчені вважають, що такі люди схильні носити чорний, бежевий та синій (блакитний) одяг. У світі близько 25% дихроматів.

між20 і32 відтінками:

Ви трихромат. У вас три типи світлових рецепторів. Ви добре розрізняєте відтінки синього, зеленого, фіолетового та червоного. У світі близько 50% тріхроматів.

між33 і39+ відтінками:

Ви тетрахромат. Як у бджіл, у вас чотири типи світлових рецепторів. Згідно з вченими, таких людей дратує жовтий колір, так що одягу з таким кольором у вас, найімовірніше, немає. У світі близько 25% тетрахроматів.

Через нещодавнє зростання інтересу до створення науково-популярних фільмів на тему освоєння космосу сучасний глядач чув про такі явища як сингулярність, або чорна діра. Проте, кінофільми, зрозуміло, не розкривають всієї природи цих явищ, інколи ж навіть спотворюють побудовані наукові теорії для більшої ефектності. З цієї причини уявлення багатьох сучасних людей про зазначені явища або зовсім поверхово, або зовсім помилково. Одним із рішень проблеми, що виникла, є дана стаття, в якій ми спробуємо розібратися в існуючих результатах досліджень і відповісти на питання – що таке чорна діра?

У 1784-му році англійський священик і дослідник природи Джон Мічелл вперше згадав у листі Королівському товариству якесь гіпотетичне масивне тіло, яке має настільки сильне гравітаційне тяжіння, що друга космічна швидкість для нього перевищуватиме швидкість світла. Друга космічна швидкість – це швидкість, яка буде потрібна відносно малому об'єкту, щоб подолати гравітаційне тяжіння небесного тіла і вийти за межі замкнутої орбіти навколо цього тіла. Згідно з його розрахунками, тіло із щільністю Сонця і з радіусом у 500 сонячних радіусів матиме на своїй поверхні другу космічну швидкість, що дорівнює швидкості світла. У такому разі навіть світло не залишатиме поверхню такого тіла, а тому дане тіло лише поглинатиме світло, що надходить, і залишиться непомітним для спостерігача - якоюсь чорною плямою на тлі темного космосу.

Однак концепція надмасивного тіла, запропонована Мічеллом, не привертала до себе великого інтересу, аж до робіт Ейнштейна. Нагадаємо, що останній визначив швидкість світла як граничну швидкість передачі. Крім того, Ейнштейн розширив теорію тяжіння для швидкостей, близьких до швидкості світла (). Внаслідок цього до чорних дірок вже не було актуально застосовувати ньютонівську теорію.

Рівняння Ейнштейна

В результаті застосування ОТО до чорних дірок та розв'язання рівнянь Ейнштейна були виявлені основні параметри чорної діри, яких всього три: маса, електричний заряд та момент імпульсу. Слід зазначити значний внесок індійського астрофізика Субраманіяна Чандрасекара, який створив фундаментальну монографію: «Математична теорія чорних дірок».

Таким чином, рішення рівнянь Ейнштейна представлено чотирма варіантами для чотирьох можливих видів чорних дірок:

ЧД без обертання та без заряду – рішення Шварцшильда. Один із перших описів чорної діри (1916 рік) за допомогою рівнянь Ейнштейна, проте без урахування двох із трьох параметрів тіла. Рішення німецького фізика Карла Шварцшильда дозволяє вирахувати зовнішнє гравітаційне поле сферичного масивного тіла. Особливість концепції ЧД німецького вченого полягає в наявності горизонту подій і прихованої за ним. Також Шварцшильд вперше обчислив гравітаційний радіус, який одержав його ім'я, визначальний радіус сфери, де розташовувався б горизонт подій для тіла з цією масою.
ЧД без обертання із зарядом – рішення Рейснера-Нордстрема. Рішення, висунуте у 1916-1918 роках, що враховує можливий електричний заряд чорної діри. Даний заряд не може бути як завгодно великим і обмежений через електричне відштовхування. Останнє має компенсуватися гравітаційним тяжінням.
ЧД із обертанням і без заряду – рішення Керра (1963). Чорна діра Керра, що обертається, відрізняється від статичної, наявністю так званої ергосфери (про цю та ін. складових чорної діри – читайте далі).
ЧД із обертанням та із зарядом - Рішення Керра - Ньюмена. Дане рішення було обчислено в 1965 році і на даний момент є найбільш повним, оскільки враховує всі три параметри ЧД. Однак, все ж таки передбачається, що в природі чорні дірки мають несуттєвий заряд.

Освіта чорної дірки

Існує кілька теорій про те, як утворюється і з'являється чорна діра, найвідоміша з яких – виникнення в результаті гравітаційного колапсу зірки з достатньою масою. Таким стиском може закінчуватися еволюція зірок з масою більше трьох мас Сонця. Після завершення термоядерних реакцій усередині таких зірок вони починають прискорено стискатися в надщільну. Якщо тиск газу нейтронної зірки неспроможна компенсувати гравітаційні сили, тобто маса зірки долає т.зв. Межа Оппенгеймера - Волкова, то колапс продовжується, внаслідок чого матерія стискається у чорну дірку.

Другий сценарій, що описує народження чорної діри - стиснення протогалактичного газу, тобто міжзоряного газу, що знаходиться на стадії перетворення на галактику або якесь скупчення. У разі недостатнього внутрішнього тиску компенсації тих же гравітаційних сил може виникнути чорна діра.

Два інших сценарії залишаються гіпотетичними:

Виникнення ЧД у результаті – т.зв. первинні чорні дірки.
Виникнення внаслідок перебігу ядерних реакцій за високих енергій. Прикладом таких реакцій є експерименти на колайдерах.

Структура та фізика чорних дірок

Структура чорної діри за Шварцшильдом включає всього два елементи, про які згадувалося раніше: сингулярність та обрій подій чорної діри. Коротко кажучи про сингулярність, можна відзначити, що через неї неможливо провести пряму лінію, а також, що в ній більшість існуючих фізичних теорій не працюють. Таким чином, фізика сингулярності сьогодні залишається загадкою для вчених. чорної діри - це якась межа, перетинаючи яку, фізичний об'єкт втрачає можливість повернутися назад за її межі і однозначно "впаде" в сингулярність чорної діри.

Будова чорної діри дещо ускладнюється у разі рішення Керра, а саме за наявності обертання ЧД. Рішення Керра має на увазі наявність у дірки ергосфери. Ергосфера - якась область, що знаходиться зовні горизонту подій, усередині якої всі тіла рухаються у напрямку обертання чорної діри. Дана область ще не є захоплюючою і її можна покинути, на відміну від горизонту подій. Ергосфера, ймовірно, є деяким аналогом акреційного диска, що представляє речовина, що обертається навколо масивних тіл. Якщо статична чорна діра Шварцшильда представляється як чорної сфери, то ЧД Керрі, з наявності ергосфери, має форму сплюснутого еліпсоїда, як якого ми часто бачили ЧД на малюнках, у старих кінофільмах чи відеоіграх.

Скільки важить чорна діра? – Найбільший теоретичний матеріал щодо виникнення чорної діри є для сценарію її появи в результаті колапсу зірки. У такому разі максимальна маса нейтронної зірки та мінімальна маса чорної дірки визначається межею Оппенгеймера - Волкова, згідно з яким нижня межа маси ЧД становить 2.5 – 3 маси Сонця. Найважча чорна діра, яку вдалося виявити (у галактиці NGC 4889), має масу 21 млрд мас Сонця. Однак, не варто забувати і про ЧД, що гіпотетично виникають в результаті ядерних реакцій при високих енергіях, на зразок тих, що на колайдерах. Маса таких квантових чорних дірок, інакше кажучи, «планківських чорних дірок» має порядок, а саме 2·10 −5 г.
Розмір чорної дірки. Мінімальний радіус ЧД можна обчислити з мінімальної маси (2.5 – 3 маси Сонця). Якщо гравітаційний радіус Сонця, тобто область, де був би горизонт подій, становить близько 2,95 км, то мінімальний радіус ЧД 3-х сонячних мас буде близько дев'яти кілометрів. Такі відносно малі розміри не вкладаються в голові, коли йдеться про масивні об'єкти, що притягають усе довкола. Однак, для квантових чорних дірок радіус дорівнює - 10-35 м.
Середня щільність чорної дірки залежить від двох параметрів: маси та радіусу. Щільність чорної діри з масою близько трьох мас Сонця становить близько 6 · 10 26 кг/м³, тоді як густина води 1000 кг/м³. Проте, такі малі чорні дірки не знайшли ученими. Більшість виявлених ЧД мають масу понад 105 мас Сонця. Існує цікава закономірність, згідно з якою чим масивніша чорна діра, тим менша її щільність. При цьому зміна маси на 11 порядків тягне за собою зміну щільність на 22 порядки. Таким чином, чорна діра масою 1 ·10 9 сонячних мас має щільність 18.5 кг/м³, що на одиницю менше щільності золота. А ЧД масою більше 10 10 мас Сонця можуть мати середню густину менше густини повітря. Виходячи з цих розрахунків логічно припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі. Що стосується квантовими ЧД, їх щільність може становити близько 10 94 кг/м³.
Температура чорної діри також обернено пропорційно залежить від її маси. Ця температура безпосередньо пов'язана з . Спектр цього випромінювання збігається зі спектром абсолютно чорного тіла, тобто тіла, що поглинає все випромінювання, що падає. Спектр випромінювання чорного тіла залежить тільки від його температури, тоді температуру ЧД можна визначити за спектром випромінювання Хокінга. Як було сказано вище, це випромінювання тим сильніше, чим менше темна діра. У цьому випромінювання Хокинга залишається гіпотетичним, оскільки ще спостерігалося астрономами. З цього випливає, що якщо випромінювання Хокінгу існує, то температура ЧД, що спостерігаються, настільки мала, що не дозволяє зареєструвати зазначене випромінювання. Згідно з розрахунками навіть температура діри з масою порядку маси Сонця - зневажливо мала (1 · 10 -7 або -272 ° C). Температура ж квантових чорних дірок може досягати близько 10 12 К і за їх швидкого випаровування (близько 1.5 хв.) такі ЧД можуть випромінювати енергію близько десяти мільйонів атомних бомб. Але, на щастя, для створення таких гіпотетичних об'єктів буде потрібно енергія в 10 14 разів більша за ту, яка досягнута сьогодні на Великому адронному колайдері. Крім того, такі явища жодного разу не спостерігалися астрономами.

З чого складається ЧД?

Ще одне питання хвилює, як вчених, так і тих, хто просто захоплюється астрофізикою, — з чого складається чорна діра? На це питання немає однозначної відповіді, оскільки за обрій подій, що оточує будь-яку чорну дірку, зазирнути неможливо. Крім того, як уже говорилося раніше, теоретичні моделі чорної діри передбачають лише 3 її складові: ергосфера, обрій подій та сингулярність. Логічно припустити, що в ергосфері є ті об'єкти, які були притягнуті чорною діркою, і які тепер обертаються навколо неї - різного роду космічні тіла і космічний газ. Горизонт подій – лише тонка неявна межа, потрапивши за яку ті ж космічні тіла безповоротно притягуються у бік останньої основної складової ЧД – сингулярності. Природа сингулярності сьогодні не вивчена і про її склад говорити ще зарано.

Згідно з деякими припущеннями чорна діра може складатися з нейтронів. Якщо слідувати сценарію виникнення ЧД внаслідок стиснення зірки до нейтронної зірки з наступним її стиском, то, мабуть, переважна більшість чорної діри складається з нейтронів, у тому числі і сама нейтронна зірка. Простими словами: при колапсі зірки її атоми стискуються в такий спосіб, що електрони з'єднуються з протонами, утворюючи нейтрони. Подібна реакція дійсно має місце у природі, при цьому з утворенням нейтрону відбувається випромінювання нейтрино. Однак це лише припущення.

Що буде якщо потрапити до чорної діри?

Падіння в астрофізичну чорну дірку призводить до розтягування тіла. Розглянемо гіпотетичного космонавта-смертника, який попрямував у чорну дірку в одному лише скафандрі ногами вперед. Перетинаючи обрій подій, космонавт не помітить жодних змін, незважаючи на те, що вибратися назад у нього вже немає можливості. У якийсь момент космонавт досягне точки (трохи позаду обрію подій), у якій почне відбуватися деформація його тіла. Так як гравітаційне поле чорної діри неоднорідне і представлене градієнтом сили, що зростає у напрямку до центру, то ноги космонавта зазнають помітно більшого гравітаційного впливу, ніж, наприклад, голова. Тоді за рахунок гравітації, точніше – приливних сил, ноги «падатимуть» швидше. Таким чином тіло починає поступово витягуватись у довжину. Для опису такого явища астрофізики вигадали досить креативний термін – спагеттифікація. Подальше розтягнення тіла, ймовірно, розкладе його на атоми, які рано чи пізно досягнуть сингулярності. Про те, що відчуватиме людина у цій ситуації – залишається лише гадати. Варто відзначити, що ефект розтягування тіла обернено пропорційний масі чорної дірки. Тобто якщо ЧД із масою трьох Сонців миттєво розтягне/розірве тіло, то надмасивна чорна діра матиме менші приливні сили і, є припущення, що деякі фізичні матеріали могли б «стерпіти» подібну деформацію, не втративши своєї структури.

Як відомо, поблизу масивних об'єктів час протікає повільніше, а значить час для космонавта-смертника тектиме значно повільніше, ніж для землян. У такому разі, можливо, він переживе не лише своїх друзів, а й саму Землю. Для визначення того, наскільки сповільниться час для космонавта будуть потрібні розрахунки, проте з вищесказаного можна припустити, що космонавт падатиме в ЧД дуже повільно і, можливо, просто не доживе до того моменту, коли його тіло почне деформуватися.

Примітно, що для спостерігача зовні всі тіла, що підлетіли до горизонту подій, так і залишаться на краю цього горизонту доти, доки не пропаде їхнє зображення. Причиною такого явища є гравітаційне червоне усунення. Дещо спрощуючи, можна сказати, що світло, що падає на тіло космонавта-смертника «застиглого» біля горизонту подій, змінюватиме свою частоту у зв'язку з його уповільненим часом. Оскільки час іде повільніше, то частота світла зменшуватиметься, а довжина хвилі – збільшуватиметься. Внаслідок цього явища, на виході, тобто для зовнішнього спостерігача, світло поступово зміщуватиметься у бік низькочастотного – червоного. Зміщення світла по спектру матиме місце, оскільки космонавт-смертник дедалі більше віддаляється від спостерігача, хоч і майже непомітно, і його час тече все повільніше. Таким чином світло, що відображається його тілом, незабаром вийде за межі видимого спектру (пропаде зображення), і надалі тіло космонавта можна буде вловити лише в області інфрачервоного випромінювання, пізніше - в радіочастотному, і в результаті випромінювання взагалі буде невловиме.

Незважаючи на написане вище, передбачається, що в дуже великих надмасивних чорних дірах приливні сили не так сильно змінюються з відстанню і майже рівномірно діють на тіло, що падає. У такому разі падаючий космічний корабель зберіг би свою структуру. Виникає резонне питання – а куди веде чорна дірка? На це питання можуть відповісти роботи деяких вчених, що пов'язує два таких явища як кротові нори та чорні дірки.

Ще в 1935 році Альберт Ейнштейн і Натан Розен з урахуванням висунули гіпотезу про існування так званих кротових нір, що з'єднує дві точки простору-часу шляхом у місцях значного викривлення останнього - міст Ейнштейна-Розена або червоточина. Для такого сильного викривлення простору знадобляться тіла з величезною масою, з участю яких добре впоралися б темні дірки.

Міст Ейнштейна-Розена – вважається непрохідною кротовою норою, оскільки має невеликі розміри та є нестабільною.

Прохідна кротова діра можлива в рамках теорії чорних та білих дірок. Де біла діра є виходом інформації, що потрапила до чорної діри. Біла діра описується в рамках ЗТО, проте на сьогодні залишається гіпотетичною і не була виявлена. Ще одну модель кротової нори запропоновано американськими вченими Кіпом Торном та його аспірантом — Майком Моррісом, яка може бути прохідною. Однак, як у випадку з червоточиною Морріса – Торна, так і у випадку з чорними та білими дірками для можливості подорожі потрібне існування так званої екзотичної матерії, яка має негативну енергію та також залишається гіпотетичною.

Чорні дірки у Всесвіті

Існування чорних дірок підтверджено нещодавно (вересень 2015 р.), проте до того часу існував уже чималий теоретичний матеріал за природою ЧД, а також безліч об'єктів-кандидатів на роль чорної діри. Насамперед слід врахувати розміри ЧД, оскільки від них залежить і сама природа явища:

Чорна діра зоряної маси. Такі об'єкти утворюються внаслідок колапсу зірки. Як згадувалося раніше, мінімальна маса тіла, здатного утворити таку чорну дірку становить 2.5 – 3 сонячних мас.
Чорні дірки середньої маси. Умовний проміжний тип чорних дірок, які збільшилися за рахунок поглинання довколишніх об'єктів, на кшталт скупчення газу, сусідньої зірки (у системах двох зірок) та інших космічних тіл.
Надмасивна чорна діра. Компактні об'єкти з 10 5 -10 10 мас Сонця. Відмінними властивостями таких ЧД є парадоксально невисока густина, а також слабкі припливні сили, про які йшлося раніше. Саме така надмасивна чорна дірка у центрі нашої галактики Чумацького шляху (Стрілець А*, Sgr A*), а також більшості інших галактик.

Кандидати у ЧД

Найближча чорна діра, а точніше кандидат на роль ЧД – об'єкт (V616 Єдинорога), який розташований на відстані 3000 світлових років від Сонця (у нашій галактиці). Він складається із двох компонентів: зірки з масою в половину сонячної маси, а також невидимого тіла малих розмірів, маса якого становить 3 – 5 мас Сонця. Якщо цей об'єкт виявиться невеликою чорною діркою зіркової маси, то по праву стане найближчою ЧД.

Слідом за цим об'єктом другою найближчою чорною діркою є об'єкт Лебідь X-1 (Cyg X-1), який був першим кандидатом на роль ЧД. Відстань до нього приблизно 6070 світлових років. Досить добре вивчений: має масу 14.8 мас Сонця і радіус горизонту подій близько 26 км.

За деяким джерелом ще одним найближчим кандидатом на роль ЧД може бути тіло в зірковій системі V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), яка, за оцінками 1999 року, розташовувалася на відстані 1600 світлових років. Однак, подальші дослідження збільшили цю відстань як мінімум у 15 разів.

Скільки чорних дірок у нашій галактиці?

На це питання немає точної відповіді, оскільки спостерігати їх досить непросто, і за весь час дослідження небосхилу вченим вдалося виявити близько десятка чорних дірок у межах Чумацького Шляху. Не вдаючись до розрахунків, зазначимо, що в нашій галактиці близько 100 – 400 млрд зірок, і приблизно кожна тисячна зірка має достатньо маси, щоб утворити чорну дірку. Ймовірно, що за час існування Чумацького Шляху могли утворитися мільйони чорних дірок. Так як зареєструвати простіше чорні дірки величезних розмірів, то логічно припустити, що, швидше за все, більшість ЧД нашої галактики не є надмасивними. Примітно, що дослідження НАСА 2005 року передбачають наявність цілого рою чорних дірок (10-20 тисяч), що обертаються навколо центру галактики. Крім того, у 2016-му році японські астрофізики виявили масивний супутник поблизу об'єкта* — чорна діра, ядро Чумацького Шляху. Через невеликий радіус (0,15 св. років) цього тіла, а також його величезну масу (100 000 мас Сонця) вчені припускають, що цей об'єкт теж є надмасивною чорною діркою.

Ядро нашої галактики, чорна діра Чумацького Шляху (Sagittarius A*, Sgr A* або Стрілець А*) є надмасивною і має масу 4,31·10 6 мас Сонця, а радіус - 0,00071 світлових років (6,25 св. год або 6,75 млрд. км). Температура Стрільця А* разом із скупченням біля нього становить близько 1 10 7 K.

Найбільша чорна діра

Найбільша чорна діра у Всесвіті, яку вченим вдалося виявити – надмасивна чорна діра, FSRQ блазар, у центрі галактики S5 0014+81, на відстані 1.2·10 10 світлових років від Землі. За попередніми результатами спостереження, за допомогою космічної обсерваторії Swift, маса ЧД склала 40 мільярдів (40 · 10 9) сонячних мас, а радіус Шварцшильда такої дірки – 118,35 мільярда кілометрів (0,013 св. років). Крім того, згідно з підрахунками, вона виникла 12,1 млрд. років тому (через 1,6 млрд. років після Великого вибуху). Якщо дана гігантська чорна діра не поглинатиме навколишню матерію, то доживе до ери чорних дір – одна з епох розвитку Всесвіту, під час якої в ній домінуватимуть чорні дірки. Якщо ж ядро галактики S5 0014+81 продовжить розростатися, воно стане однією з останніх чорних дір, які існуватимуть у Всесвіті.

Інші дві відомі чорні діри, хоч і не мають власних назв, мають найбільше значення для дослідження чорних дірок, оскільки підтвердили їхнє існування експериментально, а також дали важливі результати вивчення гравітації. Мова про подію GW150914, якою названо зіткнення двох чорних дірок в одну. Ця подія дозволила зареєструвати.

Виявлення чорних дірок

Перш ніж розглядати методи виявлення ЧД, слід відповісти на запитання: чому чорна діра чорна? - Відповідь на нього не вимагає глибоких знань в астрофізиці та космології. Справа в тому, що чорна діра поглинає все випромінювання, що падає на неї, і зовсім не випромінює, якщо не брати до уваги гіпотетичне. Якщо розглянути цей феномен докладніше, можна припустити, що всередині чорних дірок не протікають процеси, що призводять до вивільнення енергії як електромагнітного випромінювання. Тоді якщо ЧД і випромінює, то в спектрі Хокінга (збігається зі спектром нагрітого, абсолютно чорного тіла). Однак, як було сказано раніше, дане випромінювання не було зареєстровано, що дозволяє припустити зовсім низьку температуру чорних дірок.

Інша ж загальноприйнята теорія говорить про те, що електромагнітне випромінювання зовсім не здатне залишити обрій подій. Найбільш ймовірно, що фотони (частки світла) не притягуються масивними об'єктами, оскільки згідно з теорією – самі не мають маси. Однак, чорна діра все ж таки «притягує» фотони світла за допомогою спотворення простору-часу. Якщо уявити ЧД в космосі у вигляді якоїсь западини на гладкій поверхні простору-часу, то існує деяка відстань від центру чорної дірки, наблизившись на яку світло вже не зможе віддалитися. Тобто, грубо кажучи, світло починає «падати» в «яму», яка навіть не має «дна».

На додаток до цього, якщо врахувати ефект гравітаційного червоного зміщення, то, можливо, в чорній дірі світло втрачає свою частоту, зміщуючись по спектру в область низькочастотного довгохвильового випромінювання, поки зовсім не втратить енергію.

Отже, чорна діра має чорний колір, тому її складно виявити в космосі.

Методи виявлення

Розглянемо методи, які використовують астрономи для виявлення чорної діри:

Крім згаданих вище методів, вчені часто пов'язують такі об'єкти як чорні дірки та . Квазари - деякі скупчення космічних тіл і газу, які є одними з найяскравіших астрономічних об'єктів у Всесвіті. Так як вони мають високу інтенсивність світіння при відносно малих розмірах, є підстави припускати, що центром цих об'єктів є надмасивна чорна діра, що притягує себе навколишню матерію. В силу настільки потужного гравітаційного тяжіння притягувана матерія настільки розігріта, що інтенсивно випромінює. Виявлення таких об'єктів зазвичай зіставляється з виявленням чорної дірки. Іноді квазари можуть випромінювати у дві сторони струменя розігрітої плазми – релятивістські струмені. Причини виникнення таких струменів (джет) не до кінця зрозумілі, проте, ймовірно, вони викликані взаємодією магнітних полів ЧД та акреційного диска, і не випромінюються безпосередньою чорною діркою.

Джет в галактиці M87, що б'є з центру ЧД

Підбиваючи підсумки вищесказаного, можна уявити собі, поблизу: це сферичний чорний об'єкт, навколо якого обертається сильно розігріта матерія, утворюючи акреційний диск, що світиться.

Злиття та зіткнення чорних дір

Одним із найцікавіших явищ в астрофізиці є зіткнення чорних дірок, яке також дозволяє виявляти такі масивні астрономічні тіла. Подібні процеси цікавлять не тільки астрофізиків, тому що їх наслідком стають погано вивчені фізиками явища. Найяскравішим прикладом є згадана раніше подія під назвою GW150914, коли дві чорні дірки наблизилися настільки, що внаслідок взаємного гравітаційного тяжіння злилися в одну. Важливим наслідком цього зіткнення стало виникнення гравітаційних хвиль.

Відповідно до визначення гравітаційних хвиль – це такі зміни гравітаційного поля, які поширюються хвилеподібним чином від масивних об'єктів, що рухаються. Коли два такі об'єкти зближуються, вони починають обертатися навколо загального центру важкості. У міру їхнього зближення, їхнє обертання навколо своєї осі зростає. Подібні змінні коливання гравітаційного поля можуть утворити одну потужну гравітаційну хвилю, яка здатна поширитися в космосі на мільйони світлових років. Так, на відстані 1,3 млрд світлових років сталося зіткнення двох чорних дірок, що утворило потужну гравітаційну хвилю, яка дійшла до Землі 14 вересня 2015 року і була зафіксована детекторами LIGO та VIRGO.

Як вмирають чорні дірки?

Очевидно, щоб чорна діра перестала існувати, їй доведеться втратити всю свою масу. Однак, згідно з її визначенням, ніщо не може залишити межі чорної діри, якщо перейшло її обрій подій. Відомо, що вперше про можливість випромінювання чорною діркою частинок згадав радянський фізик-теоретик Володимир Грибов у своїй дискусії з іншим радянським ученим Яковом Зельдовичем. Він стверджував, що з погляду квантової механіки чорна діра здатна випромінювати частки у вигляді тунельного ефекту. Пізніше за допомогою квантової механіки побудував свою дещо іншу теорію англійський фізик-теоретик Стівен Хокінг. Докладніше про дане явище Ви можете прочитати. Коротко кажучи, у вакуумі існують так звані віртуальні частки, які постійно попарно народжуються та анігілюють один з одним, при цьому не взаємодіючи з навколишнім світом. Але якщо подібні пари виникнуть на горизонті подій чорної дірки, то сильна гравітація гіпотетично здатна їх розділити, при цьому одна частка впаде всередину ЧД, а інша вирушить у напрямку від чорної дірки. І оскільки частинка, що відлетіла від діри, може бути спостерігається, а значить має позитивну енергію, то впала в дірку частка повинна мати негативну енергію. Таким чином чорна діра втрачатиме свою енергію і матиме місце ефект, який називається – випаровування чорної діри.

Згідно з наявними моделями чорної дірки, як уже згадувалося раніше, зі зменшенням її маси її випромінювання стає все інтенсивнішим. Тоді на завершальному етапі існування ЧД, коли вона можливо зменшиться до розмірів квантової чорної діри, вона виділить величезну кількість енергії у вигляді випромінювання, що може бути еквівалентно тисячам або навіть мільйонам атомних бомб. Ця подія дещо нагадує вибух чорної дірки, наче тієї ж бомби. Згідно з підрахунками, в результаті Великого вибуху могли зародитися первинні чорні дірки, і ті з них, маса яких близько 10 12 кг, мали б випаруватися і вибухнути приблизно в наш час. Як би там не було, такі вибухи жодного разу не були помічені астрономами.

Незважаючи на запропонований Хокінг механізм знищення чорних дірок, властивості випромінювання Хокінга викликають парадокс в рамках квантової механіки. Якщо чорна діра поглинає деяке тіло, а потім втрачає масу, що виникла в результаті поглинання цього тіла, то незалежно від природи тіла, чорна діра не відрізнятиметься від тієї, якою вона була до поглинання тіла. При цьому інформація про тіло назавжди втрачена. З погляду теоретичних розрахунків перетворення вихідного чистого стану на отримане змішане («теплове») не відповідає нинішній теорії квантової механіки. Цей парадокс іноді називають зникненням інформації у чорній дірі. Достовірне рішення цього феномена так і не було знайдено. Відомі варіанти вирішення феномена:

Чи не спроможність теорії Хокінга. Це спричиняє неможливість знищення чорної дірки та постійне її зростання.
Наявність білих дірок. У такому разі поглинається інформація не пропадає, а просто викидається в інший Всесвіт.
Чи не спроможність загальноприйнятої теорії квантової механіки.

Невирішені проблеми фізики чорних дір

Зважаючи на все, що було описано раніше, чорні дірки хоч і вивчаються відносно довгий час, все ж таки мають безліч особливостей, механізми яких досі не відомі вченим.

1970-го року англійський вчений сформулював т.зв. "Принцип космічної цензури" - "Природа живить огиду до голої сингулярності". Це означає, що сингулярність утворюється лише у прихованих від погляду місцях, як центр чорної дірки. Однак довести цей принцип поки не вдалося. Також існують теоретичні розрахунки, згідно з якими «гола» сингулярність може виникати.
Не доведена і «теорема про відсутність волосся», згідно з якою чорні дірки мають лише три параметри.
Не розроблено повну теорію магнітосфери чорної діри.
Не вивчено природу та фізику гравітаційної сингулярності.
Достеменно невідомо, що відбувається на завершальному етапі існування чорної дірки, і що залишається після квантового розпаду.

Цікаві факти про чорні діри

Підбиваючи підсумки сказаного вище можна виділити кілька цікавих і незвичайних особливостей природи чорних дірок:

ЧД мають лише три параметри: маса, електричний заряд і момент імпульсу. В результаті такої малої кількості характеристик цього тіла, теорема, що стверджують це, називається «теоремою про відсутність волосся» («no-hair theorem»). Звідси також виникла фраза «чорна діра не має волосся», яка позначає, що дві ЧД абсолютно ідентичні, згадані їх три параметри однакові.
Щільність ЧД може бути меншою за щільність повітря, а температура близька до абсолютного нуля. З цього можна припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі.
Час для тіл, поглинених ЧД, іде значно повільніше, ніж зовнішнього спостерігача. Крім того, поглинені тіла значно розтягуються усередині чорної дірки, що було названо вченими – спагеттифікацією.
У нашій галактиці може бути близько мільйона чорних дірок.
Ймовірно, у центрі кожної галактики розташовується надмасивна чорна діра.
У майбутньому, згідно з теоретичною моделлю, Всесвіт досягне так званої епохи чорних дірок, коли ЧД стануть домінуючими тілами у Всесвіті.

у нашій галактиці було багато таких регіонів у минулому;
найбільші зіркоутворюючі регіони зосереджені вздовж спіральних рукавів та у напрямку до галактичного центру;
де ми бачимо пульсари (останки нейтронних зірок) і джерела гамма-променів сьогодні, будуть чорні дірки,

ми можемо скласти карту та показати на ній, де будуть чорні дірки.

СупутникNASA "Фермі" склав карту високих енергій Всесвіту у високій якості. Чорні дірки в галактиці на карті найімовірніше наслідуватимуть викиди з невеликим розкидом і дозволятимуться мільйонами окремих джерел

Це карта гамма-променевих джерел піднебіння, складена «Фермі». Вона схожа на зіркову карту нашої галактики, хіба сильно висвітлює галактичний диск. Старіші джерела збідніли на гамма-промені, тому це відносно нові точкові джерела.

Порівняно з цією картою, карта чорних дірок буде:

більш зосередженою у галактичному центрі;
трохи більш розмитою по ширині;
включати галактичну опуклість;
складатися із 100 мільйонів об'єктів, плюс-мінус похибка.

Якщо створити гібрид карти «Фермі» (вище) та карту галактики COBE (нижче), можна отримати кількісну картину розташування чорних дірок у галактиці.

Галактика, видима в інфрачервоному відCOBE. Хоча ця карта показує зірки, чорні діри будуть слідувати схожому розподілу, хоч і більш стиснутому в галактичній площині і більш централізованому до опуклості

Чорні діри реальні, поширені і переважна більшість із них вкрай важко знайти сьогодні. Всесвіт існує дуже давно, і хоча ми бачимо величезну кількість зірок, більшість із найпотужніших зірок - 95% і більше - вже давно загинули. Чим вони стали? Близько чверті з них стали чорними дірками, мільйони ще ховаються.

Чорна діра в мільярди разів масивніша за Сонце живить рентгенівський джет у центріM87, але в цій галактиці мають бути мільярди інших чорних дірок. Їхня щільність буде зосереджена в галактичному центрі

Еліптичні галактики закручують чорні дірки в еліптичний рій, що накопичується навколо галактичного центру, приблизно як і зірки, що ми бачимо. Багато чорних дірок згодом мігрують у гравітаційний колодязь у центрі галактики - тому надмасивні чорні діри і стають надмасивними. Але ми поки що не бачимо цієї картини цілком. І не побачимо, поки не навчимося якісно візуалізувати чорні дірки.

Без прямої візуалізації, наука дає нам тільки це і розповідає дещо примітне: на кожну тисячу зірок, що ми бачимо сьогодні, є приблизно одна чорна діра. Непогана статистика для абсолютно невидимих об'єктів, погодьтеся.

Третій раз за історію ми безпосередньо виявили незаперечну сигнатуру чорних дірок: гравітаційні хвилі, що з'явилися в результаті їх злиття. У поєднанні з тим, що ми вже знаємо про зоряні орбіти біля галактичного центру, рентгенівських та радіоспостережень інших галактик, вимірювання швидкості руху газу, заперечувати існування чорних дір ну ніяк не можна. Але чи вистачить нам інформації з цих та інших джерел, щоб розповісти нам, скільки насправді у Всесвіті чорних дірок і як вони розподіляються?

Справді, як багато у Всесвіті чорних дірок, якщо порівнювати із видимими зірками?

Перше, що ви хотіли б зробити, це перейти до прямих спостережень. І це чудовий початок.

Карта експозиції в 7 мільйонів секунд Chandra Deep Field - South . У цьому регіоні сотні надмасивних чорних дірок

Наш найкращий рентгенівський телескоп на сьогоднішній день – це рентгенівська обсерваторія Чандра. Зі своєї позиції на орбіті Землі вона може ідентифікувати навіть одиночні фотони з віддалених джерел рентгенівського випромінювання. Створюючи глибокі зображення суттєвих ділянок неба, вона може ідентифікувати буквально сотні рентгенівських джерел, кожен із яких відповідає далекій галактиці поза нашою власною. Ґрунтуючись на енергетичному спектрі отриманих фотонів, ми бачимо надмасивні чорні дірки в центрі кожної галактики.

Але яким би неймовірним не було це відкриття, у світі набагато більше чорних дірок, ніж по одній на галактику. Звичайно, у кожній галактиці, в середньому, є щонайменше мільйони або мільярди сонячних мас, але бачимо далеко не все.

Маси відомих бінарних систем чорних дірок, включаючи три перевірені злиття та одного кандидата на злиття від LIGO

Нещодавно LIGO заявила про своє третє пряме виявлення потужного гравітаційного сигналу від злиття бінарних чорних дірок, що підтвердило поширеність таких систем по Всесвіту. У нас поки що недостатньо статистики, щоб отримати числову оцінку, оскільки поріг помилки надто високий. Але якщо взяти за основу поточний поріг LIGO і той факт, що вона знаходить сигнал раз на два місяці (у середньому), можна з упевненістю сказати, що в кожній галактиці розміром із Чумацький Шлях, яку ми можемо зондувати, є щонайменше з десяток таких систем.

Діапазон Advanced LIGO і її можливість виявлення чорних дір, що зливаються

Більше того, наші рентгенівські дані показують, що є багато бінарних чорних дірок із меншою масою; можливо значно більше, ніж масивних, які може знайти LIGO. І це навіть не враховуючи дані, що вказують на існування чорних дірок, які не включені до жорстких бінарних систем, а їх має бути більшість. Якщо в нашій галактиці є десятки чорних дірок середньої та високої маси (10-100 сонячних мас), повинні бути сотні (3-15 сонячних мас) бінарних чорних дірок і тисячі ізольованих (небінарних) чорних дірок зоряної маси.

Тут варто наголосити на «як мінімум».

Тому що чорні дірки страшенно складно шукати. Поки що ми можемо бачити лише найактивніші, найпотужніші та найвидатніші. Чорні дірки, які закручуються по спіралі та зливаються, чудові, але такі зміни мають бути космологічно рідкісними. Ті, що побачила Чандра, є найбільш масивними, активними і таке інше, але більшість чорних дірок не є монстрами в мільйони-мільярди сонячних мас, і більшість великих чорних дірок неактивні в даний час. Ми спостерігаємо лише малу фракцію чорних дірок, і це варто розуміти, незважаючи на всю пишність спостерігається.

Те, що ми сприймаємо як вибух гамма-випромінювання, може виникати в процесі злиття нейтронних зірок, які викидають речовину у Всесвіт і створюють найважчі з відомих елементів, але також породжують чорну дірку в кінці

І все ж таки у нас є спосіб отримати якісну оцінку кількості та розподілу чорних дірок: ми знаємо, як вони утворюються. Ми знаємо, як зробити їх з молодих та масивних зірок, які стають надновими, з нейтронних зірок, що зливаються, та у процесі прямого колапсу. І хоча оптичні сигнатури створення чорної діри вкрай неоднозначні, ми побачили достатньо зірок, їх смерті, катастрофічних подій та зіркоутворення за всю історію Всесвіту, щоб мати змогу знайти саме ті цифри, які шукаємо.

Останки наднової, народженої з масивної зірки, залишають після себе об'єкт, що колапсує: або чорну дірку, або нейтронну зірку, з якої надалі може утворитися чорна діра за певних умов

Три ці способи створення чорних дірок все сягають корінням, якщо простежити все до кінця, в масивні регіони зореутворення. Щоб отримати:

Наднову, вам потрібна зірка, яка буде в 8-10 разів більша за масу Сонця. Зірки більше 20-40 сонячних мас дадуть вам чорну дірку; зірки менше – нейтронну зірку.
Нейтронну зірку, що зливається в чорну дірку, потрібно або дві нейтронні зірки, що танцюють у спіралі або стикаються, або нейтронна зірка, що висмоктує масу із зірки-компаньйону до певної межі (близько 2,5-3 сонячних мас), щоб стати чорною діркою.
Прямий колапс чорної дірки, вам потрібно достатньо матеріалу в одному місці для утворення зірки в 25 разів масивніше Сонця, і певні умови, щоб точно отримати чорну дірку (а не наднову).

Фотографії Хаббла показують масивну зірку в 25 разів масивнішу за Сонце, яка просто зникла, без утворення наднової чи іншого пояснення. Прямий колапс буде єдиним можливим поясненням

У наших околицях ми можемо виміряти, зі всіх утворюються зірок, скільки з них мають правильну масу, щоб потенційно стати чорною діркою. Ми бачимо, що лише 0,1-0,2% всіх зірок поблизу мають достатньо маси, щоб стати надновою, причому переважна більшість утворює нейтронні зірки. Близько половини систем, які утворюють бінарні (двійкові) системи, проте включають зірки порівнянних мас. Іншими словами, більшість із 400 мільярдів зірок, що сформувалися в нашій галактиці, ніколи не стануть чорними дірками.

Сучасна система спектральної класифікації систем Моргана-Кінана із температурним діапазоном кожного зіркового класу в кельвінах. Переважна більшість (75%) зірок сьогодні - зірки М-класу, з яких лише 1 на 800 досить масивна, щоб стати надновою

Але це нормально, бо деякі з них стануть. Що ще важливіше, багато хто вже став, хоч і в далекому минулому. При утворенні зірок ви отримуєте розподіл мас: ви отримуєте кілька масивних зірок, трохи більше середніх за масою і багато маломасивних. Настільки багато, що маломасивні зірки М-класу (червоні карлики) з масою всього в 8-40% сонячної складають три чверті зірок у наших околицях. У нових скупченнях зірок буде не так багато масивних зірок, які можуть стати надновими. Але в минулому зіркоутворюючі регіони були набагато більшими і багатшими масою, ніж Чумацький Шлях сьогодні.

Найбільші зіркові ясла у місцевій групі, 30 Doradus у Туманності Тарантула, включають найпотужніші зірки, відомі людству. Сотні з них (у наступні кілька мільйонів років) стануть чорними дірками

Вище ви бачите 30 Doradus, найбільший зіркоутворюючий регіон у місцевій групі, з масою 400 000 сонців. У цьому регіоні тисячі гарячих, дуже синіх зірок, з яких сотні стануть надновими. 10-30% з них перетворяться на чорні дірки, а решта стануть нейтронними зірками. Якщо припустити, що:

у нашій галактиці було багато таких регіонів у минулому;
найбільші зіркоутворюючі регіони зосереджені вздовж спіральних рукавів та у напрямку до галактичного центру;
де ми бачимо пульсари (останки нейтронних зірок) і джерела гамма-променів сьогодні, будуть чорні дірки,

ми можемо скласти карту та показати на ній, де будуть чорні дірки.

Супутник NASA "Фермі" склав карту високих енергій Всесвіту у високій якості. Чорні дірки в галактиці на карті найімовірніше наслідуватимуть викиди з невеликим розкидом і дозволятимуться мільйонами окремих джерел

Порівняно з цією картою, карта чорних дірок буде:

більш зосередженою у галактичному центрі;
трохи більш розмитою по ширині;
включати галактичну опуклість;
складатися із 100 мільйонів об'єктів, плюс-мінус похибка.

Галактика, видима в інфрачервоному від COBE . Хоча ця карта показує зірки, чорні діри будуть слідувати схожому розподілу, хоч і більш стиснутому в галактичній площині і більш централізованому до опуклості

Чорна діра в мільярди разів масивніша за Сонце живить рентгенівський джет у центрі M 87, але в цій галактиці мають бути мільярди інших чорних дірок. Їхня щільність буде зосереджена в галактичному центрі

Чер 17, 2017 Генадій