5 фактів про чорні діри – найзагадковіші космічні об’єкти

1. Чорні дірки виходять із вмираючих зірок

Чорна діра. Зображення: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman

Коли життя зірки добігає кінця, з нею може статися багато всього цікавого. З одного боку, вона має гравітацію, яка прагне стиснути її, а з іншого — енергія від ядерних реакцій у центрі, яка намагається її розширити.

Коли світило вичерпує своє паливо (водень), ядерні реакції уповільнюються, а зовнішні шари зірки виявляються скинуті у космічний простір. Через це вона колапсує — тобто зменшується, не може більше протистояти силі власної гравітації.

Невеликі світила на зразок нашого Сонця при цьому перетворюються на білих карликів — маленькі, але гарячі зірочки. Але здорові об’єкти масою щонайменше втричі (а іноді і в десятки і сотні тисяч разів) більше на цьому не зупиняються і стискаються настільки, що перетворюються на чорні дірки.

Усередині чорної діри знаходиться сингулярність – найзагадковіший об’єкт у космосі.

Сингулярність — це ядро ​​зірки, що сколапсувало, розміром стало менше атома, менше ядра, менше електрона. Розмір її називається планківською довжиною – це 1,616255 (18) × 10^⁻³⁵ метра. Це приблизно стоквінтильйонна від протона, нічого менше просто не може існувати. За таких масштабів поняття простору та часу перестають бути застосовними, починають домінувати квантові ефекти гравітації.

Вся маса зірки зосереджується в одній неймовірно малій точці, і гравітація у цієї сингулярності виявляється настільки потужною, що з області її тяжіння не може вирватися навіть світло.

Що в точності являє собою сингулярність, ми дізнатися не можемо, тому що вона оточена так званим горизонтом подій. Це не фізична поверхня, а межа, через яку ніяка частка не зможе повернутися назад. Виглядає вона не як дірка, попри назву, а як ідеально чорна сфера.

2. Чорних дірок у Всесвіті дуже, дуже багато

Чорна діра в кульовому скупченні. Зображення: NASA / G. Bacon (STScI)

Багато хто вважає, що чорні дірки — нехай руйнівні і лякаючі, але дуже рідко зустрічаються небесні тіла. Однак насправді в космосі вони трапляються на кожному кроці.

Виявити такий об’єкт дуже важко, тому що самотня чорна діра не робить видимого випромінювання. Але якщо поблизу від неї є зірки, масу яких вона поглинає або на орбіти яких може вплинути своєю гравітацією, дірка стає видимою. І вчені вже нарахували багато тисяч таких. за оцінок NASA, тільки в нашій галактиці Чумацький Шлях є від 10 мільйонів до мільярда чорних дірок.

А у всьому Всесвіті, по прикидкам астрофізиків, їх 40 квінтильйонів, або 40 000 000 000 000 000 000. Це приблизно 1% від усієї нормальної матерії в космосі.

Найближча до нас чорна діра називається Єдинорогом і знаходиться всього за 1 500 світлових років від Землі. Вона має супутник — червоний гігант, завдяки якому об’єкт і вирахували. Інтенсивність світла цього гіганта періодично змінюєтьсяЩо дозволяє побачити, як чорна діра «відтягує» частину маси та змінює форму зірки.

3. Чорні дірки можуть бути дуже великими або дуже маленькими

Надмасивна чорна дірка в ядрі галактики Андромеда. Зображення: Adam Evans / Wikimedia Commons

Залежно від власної маси ці об’єкти поділяються на три основні категорії.

Перша – чорні діри зоряної маси. Це найпростіші та найпоширеніші об’єкти. Утворюються вони внаслідок колапсу масивних зірок. Їх маса може змінюватись від трьох до декількох десятків сонячних мас. За розміром ці небесні тіла порівняно невеликі, радіуси їхнього горизонту подій можуть бути порівняні з розмірами невеликих міст — кілька десятків кілометрів. Згаданий Єдиноріг якраз до таких і належить.

Друга категорія – надмасивні чорні дірки. Ці гіганти зазвичай знаходяться в центрах галактик, включаючи наш власний Чумацький Шлях. Їхня маса може становити від мільйонів до мільярдів сонячних мас. Вони виходять або з дуже давніх чорних дірок, які поглинають багато речовини, або при колапсі величезних газових хмар.

Так, у центрі нашої галактики є надмасивна чорна діра. Вона називається Стрілець A*, і ви зараз рухаєтеся орбітою навколо неї. На повне коло йде приблизно 230 мільйонів років.

Розміри надмасивних чорних дірок, таких як Стрілець A* та її родичів, важко навіть уявити. Щоб зробити це хоча б приблизно, подивіться це відео – там центральну чорну дірку у скупченні Фенікса порівнюють із нашим Сонцем.

Існує і третя категорія – чорні дірки середньої маси. Це відносно новий та менш вивчений клас об’єктів. За розмірами вони знаходяться між зоряними та надмасивними чорними дірками. Їхня маса — від 10 до декількох десятків мас Сонця. Не особливо зрозуміло, як вони утворюються, швидше за все, внаслідок злиття менших чорних дірок або в результаті колапсу особливо щільних зоряних кластерів.

4. Чорні дірки не вічні

Злиття чорних дірок. Відео: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) / LIGO / California Institute of Technology

Довгий час вчені вважали, що чорні дірки мають бути практично вічними об’єктами, адже вони здатні лише поглинати матерію та випромінювання, а ось випускати їх назад – ні. Але в 1974 році британський фізик Стівен Хокінг, використовуючи квантову теорію поля у викривленому просторі-часі, передбачив так зване випаровування чорних дірок.

Хокінг припустив, що через ефекти вакууму поблизу горизонту подій вони повинні випромінювати частки і, отже, втрачати масу з часом. Розрахунки показали, що пара квантових частинок і античастинок можуть розділятися. Одна з них падає за обрій подій, тоді як інша відлітає в космос, несучи з собою частину енергії та маси чорної дірки.

Це явище отримало назву випромінювання Хокінга.

Через хокінгівське випромінювання чорні дірки постійно втрачають масу, їхнє гравітаційне поле слабшає, а розмір зменшується. Згодом вони стануть недостатньо масивними, щоб підтримувати стабільну сингулярність у собі, і вибухнуть.

Але оскільки віддають енергію ці об’єкти дуже повільно, частка за часткою, випаровування їх процес, м’яко кажучи, нешвидкий. за розрахункам, час життя дірки зоряної маси становитиме 10^⁶⁷ років. А надмасивний об’єкт масою в 100 мільярдів тонн випарується за 2×10^¹⁰⁰ років! Це незрівнянно більше за вік нашого Всесвіту.

5. Чорні дірки впливають як на простір, а й у час

Планета Міллер на орбіті чорної дірки Гаргантюа. Кадр із фільму «Інтерстелар»

Ейнштейн, розробляючи свою теорію відносності, передбачив, що гравітаційні поля, створювані масивними об’єктами на кшталт планет, зірок або чорних дірок, спотворюють простір і час на околицях. Цей ефект отримав назву «гравітаційне уповільнення часу».

Так, на поверхні нашої планети час тече трохи повільніше, ніж на борту космічної станції. Це довели експериментально: атомний годинник на супутниках поспішає на 38 наносекунд порівняно з аналогічно налаштованим годинником на Землі. Тому для бортових хронометрів супутників GPS навіть доводиться робити звані релятивістські поправки.

Але Земля гравітація не дуже сильна (і це добре). У чорних дірок ефекти уповільнення часу виявляються набагато виразніше.

Якби ви здійснили політ орбітою навколо цього об’єкта, то після повернення в області космосу з меншою гравітацією виявили, що там пройшло більше часу, ніж ви провели в подорожі. Ну, теоретично. На практиці у вас почнуться дуже, дуже серйозні проблеми задовго до того, як ви наблизитесь до ергосфери і тим більше до горизонту подій.

Чорна діра викривляє простір і сповільнює час довкола себе. На відстані 10 радіусів Шварцшильда добу в неї дорівнювали б 25,3 години Землі. На відстані 1,5 радіуса Шварцшильда — вже 41,6 години. А біля самого горизонту подій доба тривала б 141 день.

Симуляція падіння в чорну дірку. Відео: Joshuas Mirror / YouTube.com

Зазначені розрахунки, до речі, справедливі тільки для чорної діри, що не обертається. Якщо це небесне тіло крутиться навколо своєї осі, воно може уповільнювати час ще сильніше, тому що разом із ним обертається і простір. І що швидше обертається дірка, то сильніше уповільнюється час у її ергосфері.

І так, фанати «Інтерстеллара», вибачте… але в цій галузі довкола чорної діри стабільних орбіт ні. Отже, існування планети Міллер, де день йде за сім років Землі, насправді неможливе. Її розірвало б приливними силами або вона впала б за обрій подій.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *