Наднові, нейтронні зірки та чорні дірки. Поодинокі та в парах

«Залишки ядра, що вибухнув, відомі під назвою нейтронної зірки. Нейтронні зірки обертаються дуже швидко, випускаючи світлові та радіохвилі, які, проходячи повз Землю, здаються світлом космічного маяка.

Коливання яскравості цих хвиль навело астрономів на думку назвати такі зірки пульсарами. Найшвидші пульсари обертаються зі швидкістю, що дорівнює 1000 оборотів в секунду». (1)

«Наразі їх відкрито вже понад двісті. Реєструючи випромінювання пульсарів на різних, але близьких частотах, вдалося запізнюватися сигналу на більшій довжині хвилі (при припущенні про деяку щільність плазми в міжзоряному середовищі) визначити відстань до них. Виявилося, що всі пульсари знаходяться на відстанях від 100 до 25 000 світлових років, тобто належать нашій Галактиці, групуючись поблизу площини Чумацького Шляху (рис. 7)». (2)

Чорні діри

«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 щільне крихітне тіло, оскільки гравітаційні сили повністю пригнічують будь-який опір стиску. Вчені вважають, що саме в цей момент катастрофічний гравітаційний колапс призводить до виникнення чорної дірки. 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 та повного стиснення (колапсу), що перетворює її на невидиму чорну дірку.

У 1939 році Р. Оппенгеймер та його аспірант Снайдер у Каліфорнійському університеті (Берклі) займалися з'ясуванням остаточної долі великої маси холодної речовини. Одним із найбільш вражаючих наслідків загальної теорії відносності Ейнштейна виявилося таке: коли велика маса починає колапсувати, цей процес не може бути зупинений і маса стискується в чорну дірку. Якщо, наприклад, симетрична зірка, що не обертається, починає стискатися до критичного розміру, відомого як гравітаційний радіус, або радіус Шварцшильда (названий так на честь Карла Шварцшильда, який першим вказав на його існування). Якщо зірка досягає цього радіусу, то вже не що не може перешкодити їй завершити колапс, тобто буквально замкнутися у собі.

Які ж фізичні властивості «чорних дірок» і як вчені мають намір виявити ці об'єкти? Багато вчених роздумували над цими питаннями; отримані деякі відповіді, які здатні допомогти в пошуку таких об'єктів.

Сама назва – чорні дірки – говорить про те, що це клас об'єктів, які не можна побачити. 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 дірки.

Вчені відзначають, що ці незвичайні об'єкти нелегко зрозуміти, залишаючись у рамках закону тяжіння Ньютона. Поблизу поверхні чорної діри гравітація така сильна, що звичні ньютонівські закони тут перестають діяти. Їх слід замінити законами загальної теорії відносності Ейнштейна. Згідно з одним із трьох наслідків теорії Ейнштейна, залишаючи масивне тіло, світло має відчувати червоне усунення, оскільки він втрачає енергію на подолання гравітаційного поля зірки. Випромінювання, що надходить від щільної зірки, подібної до білого карлика - супутника Сиріуса А, - лише злегка зміщується в червону область спектру. Чим щільніша зірка, тим більше це зміщення, так що від надщільної зірки зовсім не приходитиме випромінювання у видимій області спектру. Але якщо гравітаційне дію зірки збільшується внаслідок її стиснення, то сили тяжіння виявляються настільки великі, що світло взагалі може покинути зірку. Таким чином, для будь-якого спостерігача можливість побачити чорну дірку повністю виключено! Але тоді природно виникає питання: якщо вона не видима, то як ми можемо її виявити? Щоб відповісти на це питання вчені вдаються до майстерних хитрощів. Руффіні та Віллер досконально вивчили цю проблему і запропонували кілька способів нехай не побачити, але хоча б виявити чорну дірку. Почнемо з того, що коли чорна діра народжується в процесі гравітаційного колапсу, вона повинна випромінювати гравітаційні хвилі, які могли б перетинати простір зі швидкість світла і на короткий час спотворювати геометрію простору поблизу Землі. Це спотворення виявилося б у вигляді гравітаційних хвиль, що діють одночасно на однакові інструменти, встановлені наземній поверхні на значній відстані один від одного. Гравітаційне випромінювання могло б надходити від зірок, що зазнають гравітаційного колапсу. Якщо протягом звичайного життя зірка оберталася, то, стискаючись і стаючи все менше і менше, вона обертатиметься все швидше, зберігаючи свій момент кількості руху. Зрештою вона може досягти такої стадії, коли швидкість руху на її екваторі наблизиться до швидкості світла, тобто до максимально можливої ​​швидкості. У цьому випадку зірка виявилася б сильно деформованою та могла б викинути частину речовини. За такої деформації енергія могла б йти від зірки у вигляді гравітаційних хвиль із частотою близько тисячі коливань на секунду (1000 Гц).

Роджер Пенроуз, професор математики Біркбецького коледжу Лондонського університету, розглянув цікавий випадок колапсу та утворення чорної діри. Він припускає, що чорна діра зникає, а потім проявляється в інший час в якомусь іншому всесвіті. Крім того, він стверджує, що народження чорної діри під час гравітаційного колапсу є важливою вказівкою на те, що з геометрією простору-часу відбувається щось незвичне. Дослідження Пенроуза показують, що колапс закінчується утворенням сингулярності (від лат. Singularius - окремий, одиночний), тобто він повинен продовжуватися до нульових розмірів і нескінченної щільності об'єкта. Остання умова дає можливість іншому всесвіту наблизитися до нашої сингулярності, і не виключено, що сингулярність перейде в цей новий всесвіт. Вона навіть може з'явитися в якомусь іншому місці нашого власного Всесвіту.

Деякі вчені розглядають освіту чорної діри як маленьку модель того, що, згідно з прогнозами загальної теорії відносності, в кінцевому рахунку, може статися з Всесвітом. Загальновизнано, що ми можемо в Всесвіті, що незмінно розширюється, і одне з найбільш важливих і нагальних питань науки стосується природи Всесвіту, її минулого і майбутнього. Безперечно, всі сучасні результати спостережень вказують на розширення Всесвіту. Однак на сьогодні одне з найкаверзніших питань таке: чи сповільнюється швидкість цього розширення, і якщо так, то чи не стиснеться Всесвіт через десятки мільярдів років, утворюючи сингулярність. Мабуть, колись ми зможемо з'ясувати, яким шляхом слідує Всесвіт, але, можливо, багато раніше, вивчаючи інформацію, яка просочується при народженні чорних дірок, і ті фізичні закони, які керують їхньою долею, ми зможемо передбачити остаточну долю Всесвіту (рис. 8)». (1)

Теоретично на чорну дірку може перетворитися будь-яке космічне тіло. Наприклад, такій планеті, як Земля, для цього потрібно стиснутись до радіусу в кілька міліметрів, що на практиці, звісно, ​​малоймовірно. У новому випуску з премією «Просвітитель» T&P публікують уривок із книги фізика Еміля Ахмедова «Про народження та смерть чорних дірок», в якому пояснюється, як небесні тіла перетворюються на чорні дірки і чи можна їх розгледіти на зоряному небі.

Як утворюються чорні дірки?

*Якщо якась сила стисне небесне тіло до відповідного його масі радіусу Шварцшильда, то воно настільки викривить простір-час, що навіть світло не зможе його покинути. Це і означає, що тіло стане чорною діркою.

Наприклад, для зірки з масою Сонця радіус Шварцшильда приблизно дорівнює трьом кілометрам. Порівняйте цю величину зі справжнім розміром Сонця – 700 000 кілометрів. У той же час для планети з масою Землі радіус Шварцшильда дорівнює кільком міліметрам.

[…] Тільки гравітаційна сила здатна стиснути небесне тіло до таких маленьких розмірів, як його шварцшильдовський радіус*, оскільки тільки гравітаційна взаємодія веде виключно до тяжіння, і фактично необмежено зростає зі збільшенням маси. Електромагнітна взаємодія між елементарними частинками на багато порядків сильніша за гравітаційну. Проте будь-який електричний заряд, зазвичай, виявляється компенсованим зарядом протилежного знака. Гравітаційний заряд – масу ніщо не може заекранувати.

Така планета, як Земля, не стискується під власним тягарем до відповідних розмірів Шварцшильда тому, що її маси недостатньо для подолання електромагнітного розштовхування ядер, атомів і молекул, з яких вона складається. А така зірка, як Сонце, будучи набагато масивнішим об'єктом, не стискується через сильний газодинамічний тиск за рахунок високої температури в його надрах.

Зауважимо, що для дуже масивних зірок, з масою більше ста Сонців, стиск не відбувається в основному через сильний світловий тиск. Для зірок масивніше двохсот Сонців ні газодинамічного і ні світлового тиску не вистачає, щоб запобігти катастрофічному стиску (колапсу) такої зірки в чорну дірку. Однак нижче йтиметься про еволюцію легших зірок.

Світло та висока температура зірок є продуктами термоядерних реакцій. Така реакція йде тому, що в надрах зірок достатньо водню і речовина сильно стиснута під тиском усієї маси зірки. Сильне стиск дозволяє подолати електромагнітне відштовхування однакових зарядів ядер водню, адже термоядерна реакція - це злиття ядер водню в ядро ​​гелію, що супроводжується великим виділенням енергії.

Рано чи пізно кількість термоядерного палива (водню) сильно скоротиться, світловий тиск ослабне, температура впаде. Якщо маса зірки досить мала, як, наприклад, у Сонця, вона пройде через фазу червоного гіганта і перетвориться на білий карлик.

Якщо її маса велика, то зірка почне стискатися під власним тягарем. Відбудеться колапс, який ми можемо побачити як вибух наднової. Це дуже складний процес, що складається з багатьох фаз, і поки не всі його деталі зрозумілі вченим, але вже багато що зрозуміло. Відомо, наприклад, що подальша доля зірки залежить від її маси перед колапсом. Результатом такого стиснення може бути або нейтронна зірка, або чорна діра, або комбінація з декількох подібних об'єктів і білих карликів.

«Чорні дірки є результатом колапсу найважчих зірок»

Нейтронні зірки та білі карлики не колапсують до стану чорної дірки, оскільки їх маси недостатньо, щоб подолати тиск нейтронного чи електронного газу відповідно. Ці тиску обумовлені квантовими ефектами, що набирають чинності після дуже сильного стиску. Обговорення останніх не має безпосереднього відношення до фізики чорних дірок і виходить за межі цієї книги.

Однак якщо, наприклад, нейтронна зірка знаходиться в подвійній зірковій системі, вона може притягувати матерію з зірки компаньйона. У такому разі її маса зростатиме і, якщо вона перевищить деяке критичне значення, знову відбудеться колапс, вже з утворенням чорної дірки. Критична маса визначається за умови, що газ нейтронів створює недостатній тиск, щоб утримати її від подальшого стиснення.

*Це приблизна оцінка. Точне значення межі поки що не відомо. - Прим. автора.

Отже, чорні дірки є результатом колапсу найважчих зірок. У сучасному поданні маса серцевини зірки після вигоряння термоядерного палива повинна становити не менше двох із половиною сонячних*. Ніякий відомий нам стан речовини не здатний створити такий тиск, який утримав би таку велику масу від стиску до стану чорної дірки, якщо вигоріло все термоядерне паливо. Факти, які експериментально підтверджують згадане обмеження на масу зірки для утворення чорної діри, ми обговоримо трохи пізніше, коли буде розказано, як астрономи виявляють чорні діри. […]

Рис. 7. Неправильне уявлення про колапс з погляду стороннього спостерігача як про вічне падіння, що сповільнюється, замість формування горизонту чорної діри

У зв'язку з нашим обговоренням повчально буде на прикладі згадати про взаємозв'язок різних ідей та уявлень у науці. Ця розповідь, можливо, дозволить читачеві відчути, наскільки потенційно глибоке питання, що обговорюється.

Відомо, що Галілей дійшов того, що зараз називається законом Ньютона про інерційні системи відліку, відповідаючи на критику системи Коперника. Критика полягала в тому, що Земля не може обертатися навколо Сонця через те, що інакше ми не втрималися б на її поверхні.

У відповідь Галілей стверджував, що Земля обертається навколо Сонця за інерцією. А інерційний рух ми не можемо відрізнити від спокою, як і не відчуваємо інерційний рух, наприклад, корабля. При цьому він не вірив у гравітаційні сили між планетами та зірками, бо не вірив у дію на відстані, а про існування полів він і зовсім не міг знати. Та й не прийняв би такого абстрактного на той момент пояснення.

Галілей вважав, що інерційний рух може відбуватися тільки по ідеальній кривій, тобто Земля може рухатися тільки по колу або по колу, центр якого, у свою чергу, обертається по колу навколо Сонця. Тобто може бути накладання різних інерційних рухів. Останній тип руху можна ускладнити, додавши ще більше кіл у композиції. Таке обертання називається рухом епіциклами. Воно було придумано ще для узгодження птолемеєвої системи з положеннями планет.

До речі, в момент свого створення система Коперника описувала спостерігаються явища набагато гірше системи Птолемея. Оскільки Коперник теж вірив лише у рух по ідеальним колам, в нього виходило, що центри орбіт деяких планет перебували поза Сонця. (Останнє було однією з причин затримки публікації Коперником своїх робіт. Адже він вірив у свою систему виходячи з естетичних міркувань, а наявність дивних зміщень центрів орбіт за межі Сонця ці міркування не вписувалися.)

Повчально те, що в принципі система Птолемея могла описувати дані, що спостерігаються, з будь-якою наперед заданою точністю - потрібно було тільки додати необхідну кількість епіциклів. Однак, незважаючи на всі логічні протиріччя у вихідних уявленнях її творців, лише система Коперника могла призвести до концептуального перевороту в наших поглядах на природу - до закону всесвітнього тяжіння, який описує як рух планет, так і падіння яблука на голову Ньютона, а надалі і до поняття поля.

Тому Галілей заперечував кеплерівський рух планет еліпсами. Вони з Кеплером обмінювалися листами, написаними в досить-таки дратівливому тоні. І це незважаючи на їхню повну підтримку однієї і тієї ж планетарної системи.

Отже, Галілей вважав, що Земля рухається навколо Сонця за інерцією. З погляду механіки Ньютона це явна помилка, оскільки Землю діє гравітаційна сила. Проте з погляду загальної теорії відносності Галілей має бути правий: в силу цієї теорії, в гравітаційному полі тіла рухаються за інерцією принаймні тоді, коли їхню власну гравітацію можна знехтувати. Такий рух відбувається за так званою геодезичною кривою. У плоскому просторі це просто пряма світова лінія, а у разі планети Сонячної системи це така геодезична світова лінія, яка відповідає еліптичній траєкторії, а не обов'язково круговій. На жаль, Галілей цього не міг знати.

Однак із загальної теорії відносності відомо, що рух відбувається за геодезичною, тільки якщо можна знехтувати викривленням простору тілом (планетою), що рухається, і вважати, що воно викривляється виключно гравітуючим центром (Сонцем). Виникає природне питання: чи мав рацію Галілей з приводу інерційності руху Землі навколо Сонця? І хоча це вже й не таке важливе питання, оскільки тепер ми знаємо причину, через яку люди не злітають із Землі, можливо, вона має відношення до геометричного опису гравітації.

Як можна побачити чорну дірку?

[…] Тепер перейдемо до обговорення того, як чорні дірки спостерігаються на зоряному небі. Якщо чорна дірка поглинула всю речовину, що її оточувала, її можна побачити тільки через спотворення променів світла від далеких зірок. Тобто якби недалеко від нас виявилася чорна дірка в такому чистому вигляді, то ми б побачили приблизно те, що зображено на обкладинці. Але навіть зустрівши подібне явище, не можна бути впевненим, що це чорна дірка, а не просто масивне тіло, що не світиться. Потрібна певна робота, щоб відрізнити одне одного.

Однак насправді чорні дірки оточені хмарами, що містять елементарні частинки, пил, гази, метеорити, планети і навіть зірки. Тому астрономи спостерігають щось подібне до картинки, зображеної на рис. 9. Але як вони роблять висновок, що це саме чорна дірка, а не якась зірка?

Рис. 9. Реальність набагато прозаїчніша, і нам доводиться спостерігати чорні діри в оточенні різних небесних тіл, газів та хмар пилу.

Для початку вибирають певного розміру область на зоряному небі, як правило, у подвійній зірковій системі або активному ядрі галактики. За спектрами випромінювання, що виходить з неї, визначається маса та поведінка речовини в ній. Далі фіксують, що від об'єкта, що розглядається, виходить випромінювання, як від падаючих в гравітаційному полі частинок, а не тільки від термоядерних реакцій, що йдуть в надрах зірок. Випромінювання, що є, зокрема, результатом взаємного тертя падаючої на небесне тіло матерії, містить значно енергійніше гамма-випромінювання, ніж результат термоядерної реакції.

«Чорні дірки оточені хмарами, що містять елементарні частинки, пил, гази, метеорити, планети та навіть зірки»

Якщо область, що спостерігається, досить мала, не є пульсаром і в ній зосереджена велика маса, то робиться висновок, що це чорна діра. По-перше, теоретично передбачено, що після вигоряння термоядерного палива не існує ніякого стану речовини, яка могла б створювати тиск, здатний запобігти колапсу такої великої маси в такій маленькій області.

По-друге, як тільки було підкреслено, об'єкти, що розглядаються, не повинні бути пульсарами. Пульсар - це нейтронна зірка, яка, на відміну від чорної дірки, має поверхню і веде себе як великий магніт, що є однією з найтонших характеристик електромагнітного поля, ніж заряд. Нейтронні зірки, будучи результатом дуже сильного стиснення вихідних зірок, що обертаються, здійснюють ще більш швидкі обертання, бо кутовий момент повинен зберігатися. Це призводить до того, що такі зірки створюють магнітні поля, що змінюються у часі. Останні відіграють основну роль при освіті характерного пульсуючого випромінювання.

Всі знайдені на даний момент пульсари мають масу менше двох з половиною мас Сонця. Джерела характерного енергійного гамма-випромінювання, маса яких перевищує цю межу, є пульсарами. Як видно, ця межа маси збігається з теоретичними пророкуваннями, зробленими виходячи з відомих станів речовини.

Все це, хоч і не є прямим спостереженням, є досить переконливою аргументацією на користь того, що астрономи бачать саме чорні дірки, а не щось інше. Хоча що можна вважати прямим спостереженням, а що ні – є великим питанням. Адже ви, читачу, бачите не саму книгу, а лише розсіяне нею світло. І лише сукупність тактильних та візуальних відчуттів переконує вас у реальності її існування. Так само і вчені роблять висновок про реальність існування того чи іншого об'єкта на підставі всієї сукупності даних, що спостерігаються.

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.

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.

Чорна діра, це і є нейтронна зірка, точніше, чорна діра є одним з різновидів нейтронних зірок.

Чорна діра, як і нейтронна зірка, складається з нейтронів. Причому це не нейтронний газ, в якому нейтрони знаходяться у вільному стані, а дуже щільна субстанція із щільністю атомного ядра.

Чорні дірки та нейтронні зірки утворюються в результаті гравітаційного колапсу, коли тиск газу в зірці не може врівноважити її гравітаційний стиск. При цьому зірка стискається до дуже маленького розміру і дуже великої густини, так що електрони вдавлюються в протони і утворюються нейтрони.

Зауважимо, що середнє життя вільного нейтрона близько 15 хвилин (період напіврозпаду близько 10 хвилин). Тому нейтрони в нейтронних зірках та в чорних дірах можуть бути лише у зв'язаному стані, як у атомних ядрах. Тому нейтронна зірка і чорна дірка, це ніби атомне ядро ​​макроскопічних розмірів, в якому немає протонів.

Відсутність протонів, це одна відмінність чорної дірки та нейтронної зірки від атомного ядра. Друга відмінність пов'язана з тим, що у звичайних атомних ядрах нейтрони і протони "склеєні" один з одним за допомогою ядерних сил (так зване, "сильна" взаємодія). А в нейтронних зірках нейтрони "склеєні" за допомогою гравітації.

Справа в тому, що ядерним силам потрібні ще й протони для склеювання нейтронів один з одним. Не існує таких ядер, які складаються лише з одних нейтронів. Обов'язково має бути хоча б один протон. А для гравітації жодні протони не потрібні, щоб "склеїти" нейтрони один з одним.

Ще одна відмінність гравітації від ядерних сил полягає в тому, що гравітація, це далекодіюча взаємодія, а ядерні сили, це короткодіюча взаємодія. Тому атомні ядра неможливо знайти макроскопічних розмірів. Починаючи з урану, всі елементи періодичної таблиці Менделєєва мають нестійкі ядра, які розпадаються через те, що позитивно заряджені протони відштовхуються один від одного і розривають великі ядра.

У нейтронних зірок і чорних дірок такої проблеми немає, оскільки, по-перше, гравітаційні сили далекодіючі, а, по-друге, у нейтронних зірках і чорних дірах немає позитивно заряджених протонів.

Нейтронна зірка і чорна діра під дією сил гравітації мають форму кулі, а точніше еліпсоїда обертання, тому що всі нейтронні зірки (і чорні дірки) обертаються навколо осі. Причому досить швидко з періодами обертання від кількох секунд і менше.

Справа в тому, що нейтронні зірки та чорні дірки утворюються зі звичайних зірок шляхом їхнього сильного стиснення під дією гравітації. Тому за законом збереження моменту обертання вони повинні дуже швидко обертатися.

Чи є поверхня чорних дірок та нейтронних зірок твердою? Не в сенсі твердого тіла, як агрегатного стану речовини, а в сенсі чіткої поверхні кулі без нейтронної атмосфери. Мабуть, так, чорні дірки та нейтронні зірки мають тверду поверхню. Нейтронна атмосфера та нейтронна рідина, це нейтрони у вільному стані, отже, вони мають розпадатися.

Але це не означає, що, якщо ми, наприклад, упустимо на поверхню чорної діри або нейтронної зірки якийсь "виріб" з нейтронів із щільністю атомного ядра, то він залишиться лежати на поверхні зірки. Такий гіпотетичний "виріб" тут же "всмокчеться" усередину нейтронної зірки і чорної дірки.

Відмінність чорних дірок від нейтронних зірок

Сила тяжіння у чорної дірки така, що друга космічна швидкість її поверхні перевищує швидкість світла. Тому світло із поверхні чорної дірки не може назавжди піти у відкритий космос. Гравітаційні сили завертають промінь світла назад.

Якщо на поверхні чорної діри знаходиться джерело світла, то фотони цього світла спочатку летять нагору, а потім повертають і падають назад на поверхню чорної діри. Або ці фотони починають обертатися навколо чорної дірки еліптичною орбітою. Останнє має місце на такій чорній дірі, на поверхні якої перша космічна швидкість менша за швидкість світла. У цьому випадку фотон може вирватися з поверхні чорної дірки, але він перетворюється на постійний супутник чорної дірки.

А на поверхні всіх інших нейтронних зірок, які не є чорними дірками, друга космічна швидкість менша за швидкість світла. Тому, якщо на поверхні такої нейтронної дірки знаходиться джерело світла, то фотони від цього джерела світла залишають поверхню такої нейтронної зірки гіперболічним орбітам.

Зрозуміло, що всі ці міркування відносяться не тільки до видимого світла, а й до електромагнітного випромінювання. Тобто залишити чорну дірку не може не тільки видиме світло, а й радіохвилі, інфрачервоні промені, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-випромінювання. Максимум, що зможуть фотони цих випромінювань і хвиль, це почати обертатися навколо чорної діри, якщо для цієї чорної діри швидкість світла більша за першу космічну швидкість на поверхні зірки.

Тому такі нейтронні зірки і називаються так "чорна дірка". Від чорної діри нічого не вилітає, а все, що завгодно, може туди залетіти. (Випаровування чорних дірок за рахунок квантового тунелювання тут розглядати не будемо.)

Тобто зрозуміло, що жодної дірки у просторі там насправді немає. Так само, як немає жодної дірки в просторі на місці розташування звичайної нейтронної зірки або на місці звичайної зірки.

Дірки у просторі там є лише у книгах письменників-фантастів, у науково-популярних виданнях та телепередачах. Виданням та телепередачам потрібно фінансово відбити витрати на тиражі та рейтинги. Тому їм доводиться емоційно вражати своїх читачів та телеглядачів такими фактами, які не можна перевірити за сьогоднішнього рівня розвитку науки і техніки, але які можуть з'явитися в якихось математичних моделях. (Непрофесійна публіка зазвичай не підозрює, що математичні моделі у фізиці завжди вторинні, що фізика наука експериментальна і що математичні моделі фізичних об'єктів мають властивість у майбутньому змінюватись у міру появи нових експериментальних даних.)

Якби ми могли стояти на поверхні чорної діри, то, подивившись нагору, ми б побачили замість зоряного неба напівпрозоре дзеркало. Тобто ми бачили б там і навколишній космос (оскільки чорна діра приймає все випромінювання відправлене до неї) і те світло, яке повертається до нас назад не зумівши подолати гравітація. Це повернення світла назад має ефект дзеркала.

Таке саме напівпрозоре "дзеркало" на поверхні чорної діри має місце і для інших видів електромагнітного випромінювання (радіохвилі, рентген, ультрафіолет і т.д.)

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 даний момент вчені 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.