Чорні діри

Ще 220 років тому французький вчений П’єр Симон Лаплас, оперуючи законом тяжіння, виявив, що якщо більшу масу упакувати в маленькому обсязі, такий об’єкт буде темним. Він не відпустить навіть власне випромінювання, оскільки друга космічна швидкість, необхідна, щоб його покинути, буде більше швидкості світла.
Так, у формулах були «відкриті» об’єкти, які в 1968 році назвуть чорними дірами. Наскільки велику масу і наскільки маленькому обсязі треба упакувати? Так званий гравітаційний радіус чорної діри Rg = 2GМ/сх2, де G — гравітаційна постійна, М — маса чорної діри, з — швидкість світла. В принципі, будь-яке тіло з будь-якої речовини можна стиснути і так перетворити в чорну діру, але розрахунки показують, що Сонце треба стиснути до розміру 6 км, Землю — 2 див.
Теоретично чорна діра може бути мікроскопічної і за розміром, і за масою. Такі дірки вчені сподіваються створити і вивчити за допомогою знаменитого Великого адронного коллайдера. А їх руйнівної сили не бояться тому, що теорія передбачає досить швидке випаровування, руйнування таких дірок. Втім, поки вони не знайдено. Мабуть, чорні діри менше деякої маси не існують через якихось, поки не відомих нам законів. Взагалі на противагу теоретикам спостерігачі та експериментатори до 1960-х років не знаходили в природі ні самих чорних дірок, ні процесів, які могли б так сильно стиснути речовина.
Теоретики з часів Лапласа написали стільки формул для властивостей чорних дір різних мас в просторах з різною геометрією, що вони не помістяться навіть на мільйон сторінок! Наприклад, з близької відстані на тлі зоряного неба чорна діра повинна виглядати, як рис 1.
Будь-яка речовина, що опинилося поруч з чорною дірою, буде нескінченно довго падати в неї і випромінювати енергію, утворюючи світить аккреційний диск. А якщо чорна діра обертається і на неї падає занадто багато речовини, вона скидає надлишок з полюсів обертання у вигляді вузьких потоків-викидів. Аккреционные диски і викиди в центрах активних галактик і квазарів, що виникають, мабуть, з-за надмасивних чорних дір.
Правда, падіння в чорну діру речовина їй ще не належить. А з урахуванням нескінченного (або дуже великого) часу падіння абсолютно не ясно, як і з чого виникла сама чорна діра. Якщо Всесвіту всього 14 мільярдів років, жодна справжня чорна діра в ній виникнути ще не встигла. От якщо б Всесвіт була вічною…
Що ж вчені називають «виявленими чорними дірами»? Не дивуйтеся! Як і повинно бути в науці, теорії суперечать один одному, а спостереження взагалі не відповідають жодної теорії. Тому дослідження продовжуються! Під спостережуваними чорними дірами вчені мають на увазі великі маси речовини в малих обсягах. А наскільки ці маси за своїми властивостями відповідають теоретичним чорним дірам — поки не ясно.
Цікаве теоретичне дослідження чорних дір виконали в 1970-х роках радянські вчені Ст. Грибів, Я. Зельдовіч і А. Старобинский спільно зі знаменитим англійцем Стівеном Хокінгом. Виявилося, що чорну діру ніщо не залишає тільки в рамках класичної фізики. А якщо вважати світ не часткою, а хвилею, то вже очевидно, що чорні діри не є абсолютними пастками: якщо довжина хвилі випромінювання більше гравітаційного радіуса чорної діри, то таке випромінювання вільно покине чорну діру. Це все одно, що намагатися втримати слона всередині літрової банки! До речі, спочатку треба упакувати слона в цю банку. А схоже, чорні діри не поглинають саме довгохвильове випромінювання.
Крім того, квантова фізика передбачає так зване випаровування чорної діри, тобто зменшення її маси аж до повного зникнення. Поблизу чорної діри тяжіння настільки сильно, що з вакууму постійно народжуються і порівняно довго існують пари частинка-античастинка. У звичайних умовах вони б миттєво взаимоуничтожились. А тут одна з таких частинок встигає вилетіти з сфери тяжіння чорної діри, поки інша падає в дірку. В основному з дірки повинні випаровуватися фотони і нейтрино, але можуть і електрони з протонами.
Правда, в реальності випаровування чорних дір ще не спостерігалося. Це дуже повільний процес. Через десятки мільярдів років повинна випаруватися чорна діра з масою Сонця, а при масі 10 мільярдів мас Сонця випаровування дірки займе приблизно 10 млрд. років. Якщо Всесвіту всього 14 мільярдів років в ній не встигла випаруватися жодна чорна діра. Але випаровування, якщо воно існує, робить чорні діри дуже важливими об’єктами у Всесвіті.
Припустимо, зараз Всесвіт розширюється. Якщо це продовжиться, розпадуться всі тіла, атоми, частинки. Будуть вичерпані всі запаси енергії. Настане теплова смерть ” світу. Або Велике замерзання. Якщо Всесвіт розширюється ще й з прискоренням, то ми встигнемо побачити зникнення об’єктів в темряві з-за розпаду атомів — спочатку на краю Всесвіту, а через кілька мільярдів років це цунамі повної темряви завітає до нас. Це називається Великий розрив. Якщо розширення Всесвіту зміниться стисненням, вона повернеться в точку, з якої почалася. Велике стиснення. У будь-якому випадку — кінець світу. Причина: фізичні процеси врівноважують один одного, і тому світ змінюється необоротно. Наприклад, залізо у нас на очах ніколи не перетворюється в більш легкі елементи, в кінцевому рахунку на водень.
В ядерному синтезі всередині зірок легкі елементи перетворюються на важкі, в кінцевому рахунку водень перетворюється в залізо. У вибухах масивних зірок залізо перетворюється в ще більш важкі елементи, наприклад свинець, уран, срібло і золото. Третій процес, ядерний розпад, повільно йде скрізь і завжди і перетворює важкі елементи назад в залізо. Без перетворення заліза у водень ці три процесу, очевидно, не врівноважують один одного. Але якщо чорні діри випаровуються, Всесвіт не перетвориться на один великий шматок заліза. Чорна діра поглинає будь-яка речовина, у тому числі залізо, а випаровує частинки без маси або маломасивні, в тому числі протони і електрони, які складаються атоми водню. До речі, навіть без всякого випаровування чорна діра, формуючи вузькі викиди з падаючого на неї речовини, що фактично перетворює важкі елементи водень.
Взагалі при віком Всесвіту понад 10 млрд. років всі процеси в ній врівноважуються протилежними, і настає Велике рівновагу. До речі, вперше таку Всесвіт Ейнштейн запропонував у 1915 році. Вона нескінченна в просторі й існує вічно. Однак найбільш популярна серед сучасних вчених Стандартна космологія, тобто гіпотеза народження Всесвіту в Великому вибуху не сумісна з безсмертям Всесвіту в майбутньому. Або Всесвіт народилася і приречена загинути, або вона вічна, без початку і кінця. Третього не дано. Вибирати вам. І це питання обговорюється не тільки наукою, але й релігіями тисячі років. В наш час значна частина людей (не науковців!) вважає Всесвіт вічної і не менш значна частина — народилася колись. Мабуть, це питання не астрономічний, а психологічний: мозок однієї людини не допускає вічності Всесвіту, а мозок іншого — її народження.
Спостереження чорних дір
Хоча теоретично може існувати чорна діра будь маси, спостерігаються два типи чорних дір (тобто два типи масивних об’єктів малого обсягу, в інших властивостях їх відповідність теоретичним чорним дірам ще вивчається): зоряної маси (приблизно від 3 до 100 мас Сонця) і понад-масивні (приблизно від 100000 до 10 мільярдів мас Сонця). І тільки для таких чорних дірок зрозумілі механізми утворення. Чорні діри інших мас, мабуть, ніколи не утворюються. Пам’ятайте, що деякі «космічні об’єкти» існують тільки у вигляді теоретичних формул. Тому варто розділяти дві науки: спостереження чорних дір відносяться до астрономії, а теорія чорних дір, швидше, до чистої абстрактної математики. Будь ласка, не довіряйте телевізійним страшилок, створеним на основі голих формул! Звичайно, чорна діра проковтує зазевавшиеся зірки і взагалі все, що поруч. Але, знаючи, як і з чого утворюються зоряні і надмасивні чорні діри, ми впевнені, що ні одна з них в найближчу тисячу років не виявиться на небезпечному для нас відстані.
Чорна діра — теоретично обов’язковий кінцевий етап еволюції масивних зірок. Правда, зазвичай зірка в процесі еволюції інтенсивно втрачає речовину. Тому важко зіставити її початкову масу (на Головній послідовності) і фінальну (в момент припинення ядерних реакцій). Крім того, грає роль обертання зірки і інші фактори. Приблизно можна сказати, що зірка з фінальної масою більше 5 мас Сонця повинна стати чорною дірою, а з масою 1,4-5 мас Сонця — нейтронної зіркою (інший кінцевий етап еволюції зірок).
У зірковій парі (подвійний зірки) вибуховий процес перетворення однієї з зірок у чорну діру може мати надзвичайні наслідки. Якщо вибухова хвиля поширювалася хоча б трохи не симетрично, і чорна діра, і зірка-сусідка будуть відкинуті від місця вибуху з величезною швидкістю.
Інший тип — надмасивні чорні діри. Якщо в Сонячну систему упакувати мільярд звичайних зірок, буде так тісно, що рано чи пізно вони з’єднаються в чорну діру. У центрі багатьох, а може бути, і всіх галактик знаходяться надмасивні чорні діри (тобто більші маси в малих обсягах). Тут — так само, як близько зоряної чорної діри, тільки масштаб інший. Такі викиди поширюються іноді на мільйони світлових років і змінюють вигляд цілих галактик. Вони іонізують і нагрівають вже існуючу міжгалактичну середовище і додають в неї речовини. Спостережувана сучасними космічними телескопами досить висока середня щільність міжгалактичної середовища, мабуть, викликана якраз активністю надмасивних чорних дір.