Чорна дірка, що в ній знаходиться. Чорна діра. Що всередині чорної дірки? Що таке інформаційний парадокс

Безкрайній Всесвіт сповнений таємниць, загадок і парадоксів. Незважаючи на те, що сучасна наука зробила величезний стрибок уперед у дослідженні космосу, багато в цьому безмежному світі залишається незбагненним для людського світосприйняття. Нам досить багато відомо про зірки, туманності, скупчення і планети. Однак на просторах Всесвіту зустрічаються такі об'єкти, про існування яких ми можемо лише здогадуватись. Наприклад, про чорні діри нам відомо вкрай мало. Основні відомості та знання про природу чорних дірок будуються на припущеннях та припущеннях. Астрофізики, вчені-атомники б'ються над цим питанням уже не один десяток років. Що ж таке чорна дірка у космосі? Яка природа таких об'єктів?

Говорячи про чорні діри простою мовою

Щоб уявити, як виглядає чорна діра, досить побачити хвіст поїзда, що йде в тунель. Сигнальні ліхтарі на останньому вагоні в міру поглиблення поїзда в тунель зменшуватимуться в розмірах, поки зовсім не зникнуть з поля зору. Інакше кажучи, це об'єкти, де в силу жахливого тяжіння зникає навіть світло. Елементарні частинки, електрони, протони та фотони не в змозі подолати невидимий бар'єр, провалюються в чорну прірву небуття, тому така дірка у просторі й отримала назву – чорна. Немає всередині неї ні найменшої світлої ділянки, суцільна чорнота і нескінченність. Що знаходиться по той бік чорної дірки – невідомо.

Цей космічний пилосос має колосальну силу тяжіння і в змозі поглинути цілу галактику з усіма скупченнями і скупченнями зірок, з туманностями і з темною матерією на додачу. Як це можливо? Залишається лише здогадуватися. Відомі нам закони фізики в даному випадку тріщать по швах і не дають пояснення процесам, що відбуваються. Суть феномена полягає в тому, що в даній ділянці Всесвіту гравітаційна взаємодія тіл визначається їхньою масою. На процес поглинання одним об'єктом іншого не впливають їх якісний та кількісний склад. Частинки, досягнувши критичної кількості певному ділянці, входять у інший рівень взаємодії, де гравітаційні сили стають силами тяжіння. Тіло, об'єкт, субстанція чи матерія під впливом гравітації починає стискатися, досягаючи колосальної густини.

Приблизно такі процеси відбуваються при утворенні нейтронної зірки, де зоряна матерія під впливом внутрішньої гравітації стискується обсягом. Вільні електрони з'єднуються з протонами, утворюючи електрично нейтральні частки - нейтрони. Щільність цієї субстанції величезна. Частка матерії розміром зі шматок рафінаду має вагу у мільярди тонн. Тут доречним буде згадати загальну теорію відносності, де простір і час — безперервні величини. Отже, процес стиснення не може бути зупинений на півдорозі і тому не має межі.

Потенційно чорна діра виглядає як нора, в якій, можливо, існує перехід з однієї ділянки простору в іншу. При цьому властивості самого простору та часу змінюються, закручуючи в просторово-часову вирву. Досягаючи дна цієї вирви, будь-яка матерія розпадається на кванти. Що знаходиться по той бік чорної діри, цієї гігантської нори? Можливо, там існує інший простір, де діють інші закони і час тече у зворотному напрямку.

У розрізі теорії відносності теорія чорної діри виглядає так. Точка простору, де гравітаційні сили стиснули будь-яку матерію до мікроскопічних розмірів, має колосальну силу тяжіння, величина якої зростає до нескінченності. З'являється складка часу, а простір викривляється, замикаючись лише у точці. Поглинені чорною діркою об'єкти не в змозі самостійно протистояти силі втягування цього жахливого пилососу. Навіть швидкість світла, яку мають кванти, не дозволяє елементарним часткам подолати силу тяжіння. Будь-яке тіло, що потрапило в таку точку, перестає бути матеріальним об'єктом, зливаючись із просторово-часовим міхуром.

Чорні дірки з погляду науки

Якщо поставити запитання, як утворюються чорні дірки? Однозначної відповіді не буде. У Всесвіті досить багато парадоксів та протиріч, які неможливо пояснити з погляду науки. Теорія відносності Ейнштейна дозволяє лише теоретично пояснити природу подібних об'єктів, проте квантова механіка та фізика в даному випадку мовчать.

Намагаючись пояснити законами фізики процеси, що відбуваються, картина буде виглядати наступним чином. Об'єкт утворюється в результаті колосального гравітаційного стиснення масивного або надмасивного космічного тіла. Цей процес має наукову назву — гравітаційний колапс. Термін «чорна діра» вперше пролунав у науковому середовищі 1968 року, коли американський астроном і фізик Джон Віллер намагався пояснити стан зіркового колапсу. За його теорією, на місці масивної зірки гравітаційного колапсу, що зазнала, виникає просторовий і тимчасовий провал, в якому діє постійно зростаючий стиск. Все, з чого складалася зірка, йде всередину себе.

Таке пояснення дозволяє зробити висновок, що природа чорних дірок жодним чином не пов'язана з процесами, що відбуваються у Всесвіті. Все, що відбувається всередині цього об'єкта, ніяк не відбивається на навколишньому просторі за одного «АЛЕ». Сила гравітації чорної дірки настільки сильна, що викривляє простір, змушуючи обертатися галактики навколо чорних дірок. Відповідно стає зрозумілою причина, чому галактики набувають форми спіралей. Скільки знадобиться часу на те, щоб величезна галактика Чумацький шлях зникла у безодні надмасивної чорної дірки, невідомо. Цікавий факт, що чорні дірки можуть виникати у будь-якій точці космічного простору, там, де для цього створені ідеальні умови. Така складка часу та простору нівелює ті величезні швидкості, з якими обертаються зірки та переміщаються у просторі галактики. Час у чорній дірі тече в іншому вимірі. Усередині цієї галузі жодні закони гравітації не піддаються інтерпретації з погляду фізики. Такий стан називається сингулярністю чорної дірки.

Чорні діри не виявляють жодних зовнішніх ідентифікаційних ознак, про їх існування можна судити з поведінки інших космічних об'єктів, на які впливають гравітаційні поля. Вся картина боротьби не на життя, а на смерть відбувається на межі чорної дірки, яка прикрита мембраною. Ця уявна поверхня вирви називається «горизонтом подій». Все, що ми бачимо до цього кордону, є відчутним і матеріальним.

Сценарії утворення чорних дірок

Розвиваючи теорію Джона Уіллера, можна дійти невтішного висновку, що таємниця чорних дірок скоріш над процесі її формування. Утворення чорної діри виникає внаслідок колапсу нейтронної зірки. Причому маса такого об'єкта має перевищувати масу Сонця в три і більше разів. Нейтронна зірка стискується доти, доки її власне світло вже не в змозі вирватися з тісних обіймів сили тяжіння. Існує гранична межа у розмірі, до якого може стискатися зірка, даючи народження чорній дірі. Цей радіус називається гравітаційним радіусом. Масивні зірки на фінальній стадії свого розвитку повинні мати гравітаційний радіус за кілька кілометрів.

Сьогодні вчені отримали непрямі докази присутності чорних дірок у десятці рентгенівських подвійних зірок. У рентгенівських зірок, пульсара чи барстера немає твердої поверхні. До того ж їх маса більша за масу трьох Сонців. Нинішній стан космічного простору в сузір'ї Лебедя – рентгенівська зірка Лебідь Х-1 дозволяє простежити процес утворення цих цікавих об'єктів.

Виходячи з досліджень і теоретичних припущень, сьогодні в науці існує чотири сценарії освіти чорних зірок:

• гравітаційний колапс масивної зірки на фінальному етапі її еволюції;
• колапс центральної області галактики;
• формування чорних дірок у процесі Великого вибуху;
• утворення квантових чорних дірок.

Перший сценарій є найреалістичнішим, однак та кількість чорних зірок, з якими ми знайомі на сьогоднішній день, перевищує кількість відомих нейтронних зірок. Та й вік Всесвіту не настільки великий, щоб така кількість потужних зірок змогла пройти повний процес еволюції.

Другий сценарій має право на життя, і тому існує яскравий приклад – надмасивна чорна діра Стрілець А*, що дала притулок у центрі нашої галактики. Маса цього об'єкта 3,7 маси Сонця. Механізм цього сценарію схожий зі сценарієм гравітаційного колапсу з тією різницею, що колапс піддається не зірка, а міжзоряний газ. Під впливом гравітаційних сил відбувається стиск газу до критичної маси та щільності. У критичний момент матерія розпадається на кванти, утворюючи чорну дірку. Однак ця теорія викликає сумніви, оскільки нещодавно астрономи Колумбійського університету виявили супутники чорної дірки Стрілець А*. Ними виявилося безліч дрібних чорних дірок, які ймовірно утворилися іншим способом.

Третій сценарій більш теоретичний і пов'язаний із існуванням теорії Великого вибуху. У момент утворення Всесвіту частина матерії та гравітаційні поля зазнали флуктуації. Іншими словами, процеси пішли іншим шляхом, не пов'язаним із відомими процесами квантової механіки та ядерної фізики.

Останній сценарій орієнтований фізику ядерного вибуху. У згустках матерії у процесі ядерних реакцій під впливом гравітаційних сил відбувається вибух, дома якого утворюється чорна діра. Матерія вибухає всередину себе, поглинаючи всі частки.

Існування та еволюція чорних дірок

Маючи приблизне уявлення про природу таких дивних космічних об'єктів, цікаво інше. Які справжні розміри чорних дірок, як швидко вони зростають? Розміри чорних дірок визначаються їх гравітаційним радіусом. Для чорних дірок радіус чорної діри визначається її масою та називається радіусом Шварцшильда. Наприклад, якщо об'єкт має масу рівну масу нашої планети, то радіус Шварцшильда у разі становить 9 мм. Наше головне світило має радіус 3 км. Середня щільність чорної діри, що утворилася на місці зірки масою 10 мас Сонця, буде близькою до щільності води. Радіус такої освіти становитиме 300 млн. кілометрів.

Ймовірно, такі гігантські чорні дірки розташовуються в центрі галактик. На сьогоднішній день відомі 50 галактик, у центрі яких знаходяться величезні часові та просторові колодязі. Маса таких гігантів становить мільярди мас Сонця. Можна тільки уявити, якою колосальною і жахливою силою тяжіння має така дірка.

Що стосується дрібних дірочок, то це міні-об'єкти, радіус яких досягає нікчемних величин, всього 10?? см. Маса такої крихти становить 10??гр. Подібні утворення виникли в момент Великого вибуху, проте згодом збільшилися в розмірах і сьогодні красуються в космічному просторі як монстри. Умови, за яких йшло утворення дрібних чорних дірок, вчені сьогодні намагаються відтворити у земних умовах. З цією метою проводяться експерименти в електронних колайдерах, з яких елементарні частинки розганяються до швидкості світла. Перші досліди дозволили отримати в лабораторних умовах кварк-глюонну плазму — матерію, яка існувала на зорі утворення Всесвіту. Подібні експерименти дозволяють сподіватися, що чорна дірка на Землі – справа часу. Інша річ, чи не обернеться подібне досягнення людської науки катастрофою для нас та для нашої планети. Створивши штучно чорну дірку, ми можемо відкрити скриньку Пандори.

Останні спостереження за іншими галактиками, дозволили вченим відкрити чорні дірки, розміри яких перевищують усі можливі очікування та припущення. Еволюція, яка відбувається з подібними об'єктами, дозволяє краще зрозуміти, від чого зростає маса чорних дірок, якою є її реальна межа. Вчені дійшли висновку, що всі відомі чорні дірки виросли до своїх реальних розмірів протягом 13-14 млрд років. Різниця у розмірах пояснюється щільністю навколишнього простору. Якщо в чорної дірки достатньо їжі в межах досяжності сил тяжіння, вона росте немов на дріжджах, досягаючи маси в сотні та тисячі сонячних мас. Звідси й величезні розміри таких об'єктів, розташованих у центрі галактик. Масивне скупчення зірок, величезні маси міжзоряного газу є рясною їжею для зростання. При злитті галактик чорні дірки можуть зливатися воєдино, утворюючи новий надмасивний об'єкт.

Судячи з аналізу еволюційних процесів, прийнято виділяти два класи чорних дірок:

• об'єкти з масою в 10 разів більші за сонячну масу;
• масивні об'єкти, маса яких становить сотні тисяч, мільярди сонячних мас.

Існують чорні дірки із середньою проміжною масою, що дорівнює 100-10 тис. мас Сонця, проте їх природа досі залишається невідомою. На одну галактику припадає приблизно один такий об'єкт. Вивчення рентгенівських зірок дозволило знайти на відстані 12 мільйонів світлових років у галактиці М82 одразу дві середні за масою чорні дірки. Маса одного об'єкта варіюється в діапазоні 200-800 мас Сонця. Інший об'єкт набагато більший і має масу 10-40 тис. сонячних мас. Доля таких об'єктів цікава. Розташовуються вони поблизу зоряних скупчень, поступово притягуючись до надмасивної чорної дірки, розташованої в центральній частині галактики.

Наша планета та чорні дірки

Незважаючи на пошуки розгадки про природу чорних дірок, науковий світ турбує місце та роль чорної діри у долі галактики Чумацький шлях і, зокрема, у долі планети Земля. Складання часу та простору, що існує в центрі Чумацького шляху, поступово поглинає всі об'єкти, що існують навколо. Вже поглинені в чорній дірі мільйони зірок та трильйони тонн міжзоряного газу. Згодом дійде черга і до рукавів Лебедя та Стрільця, в яких знаходиться Сонячна система, пройшовши відстань у 27 тис. світлових років.

Інша найближча надмасивна чорна діра знаходиться у центральній частині галактики Андромеда. Це близько 2,5 млн світлових років від нас. Ймовірно, до того часу, як наш об'єкт Стрілець А* поглине власну галактику, слід очікувати злиття двох сусідніх галактик. Відповідно відбудеться і злиття двох надмасивних чорних дірок в одне ціле, страшне та жахливе за розмірами.

Зовсім інша річ — чорні дірки невеликих розмірів. Щоб поглинути планету Земля, досить чорної діри радіусом у пару сантиметрів. Проблема полягає в тому, що за своєю природою чорна дірка є абсолютно безликим об'єктом. З її утроби не виходить ніяке випромінювання, ні радіація, тому помітити такий загадковий об'єкт досить важко. Тільки зблизька можна виявити викривлення фонового світла, що свідчить у тому, що у цьому районі Всесвіту є дірка у просторі.

На сьогоднішній день вчені встановили, що найближча до Землі чорна діра – це об'єкт V616 Monocerotis. Чудовисько розташоване за 3000 світлових років від нашої системи. За своїми розмірами це велике утворення, його маса становить 9-13 сонячних мас. Іншим близьким об'єктом, що загрожує нашому світу, є чорна діра Gygnus Х-1. З цим монстром нас поділяє відстань у 6000 світлових років. Виявлені поруч із нами чорні дірки, є частиною бінарної системи, тобто. існують у тісному сусідстві із зіркою, що живить ненаситний об'єкт.

Висновок

Існування в космосі таких загадкових та таємничих об'єктів, якими є чорні дірки, безумовно, змушує нас перебувати на сторожі. Однак все, що відбувається з чорними дірками, трапляється досить рідко, якщо брати до уваги вік Всесвіту та величезні відстані. Протягом 4,5 млрд. років Сонячна система перебуває у стані спокою, існуючи за відомими нам законами. За цей час нічого подібного, ні спотворення простору, ні складки часу поблизу Сонячної системи не з'явилося. Ймовірно, для цього немає потрібних умов. Та частина Чумацького шляху, де перебуває система зірки Сонце, є спокійним і стабільним ділянкою космосу.

Вчені припускають думку, що поява чорних дірок не випадкова. Такі об'єкти виконують у Всесвіті роль санітарів, що знищують надлишок космічних тіл. Що ж до долі самих монстрів, їх еволюція ще остаточно не вивчена. Існує версія, що чорні дірки не вічні і певному етапі можуть припинити своє існування. Вже ні для кого не секрет, що такі об'єкти є найпотужнішими джерелами енергії. Яка це енергія і в чому вона вимірюється – це інша річ.

Стараннями Стівена Хокінга науці була пред'явлена ​​теорія про те, що чорна діра таки випромінює енергію, втрачаючи свою масу. У своїх припущеннях вчений керувався теорією відносності, де всі взаємопов'язані один з одним. Нічого просто так не зникає, не з'явившись в іншому місці. Будь-яка матерія може трансформуватися в іншу субстанцію, причому один вид енергії переходить на інший енергетичний рівень. Так, може бути, і справа з чорними дірками, які є перехідним порталом, з одного стану в інший.

Якщо вам набридла реклама на цьому сайті - скачайте наш мобільний додаток тут: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.news.android.military або нижче, клацнувши на логотип Google Play. Там ми зменшили кількість рекламних блоків спеціально для нашої постійної аудиторії.
Також у додатку:
- ще більше новин
- оновлення 24 години на добу
- Повідомлення про головні події

Якщо у вас виникли питання – залишайте їх у коментарях під статтею. Ми чи наші відвідувачі з радістю відповімо на них

Прогнозує, що в чорній дірі сингулярність, місце, в якому приливні сили стають нескінченно великими, і як тільки ви долаєте обрій подій, ви вже не можете потрапити ще кудись, крім як у сингулярність. Відповідно, ВТО краще не використовувати у цих місцях – вона просто не працює. Щоб сказати, що відбувається усередині чорної дірки, нам потрібна теорія квантової гравітації. Загальновизнано, що ця теорія замінить сингулярність на щось інше.

Як утворюються чорні дірки?

В даний час ми знаємо про чотири різні способи утворення чорних дірок. Найкраще розуміємо пов'язаний із зоряним колапсом. Достатньо велика зірка утворює чорну дірку після того, як її ядерний синтез припиняється, тому що все, що вже можна було синтезувати, було синтезовано. Коли тиск, створюваний синтезом, припиняється, речовина починає провалюватися до власного гравітаційного центру, стаючи все більш щільною. Зрештою, воно настільки ущільнюється, що ніщо не може подолати гравітаційну дію на поверхню зірки: так народжується чорна діра. Ці чорні дірки називаються «чорними дірками сонячної маси» і найпоширеніші.

Наступним поширеним типом чорних дірок є «надмасивні чорні дірки», які можна знайти в центрах багатьох галактик і які мають маси приблизно в мільярд разів більше, ніж чорні дірки сонячної маси. Поки що достеменно невідомо, як саме вони формуються. Вважається, що колись вони починалися як чорні дірки сонячної маси, які у густонаселених галактичних центрах поглинали безліч інших зірок та росли. Проте вони, схоже, поглинають речовину швидше, ніж передбачає ця проста ідея, і як саме вони це роблять — все ще залишається предметом досліджень.

Більш спірною ідеєю стали первинні чорні дірки, які могли бути сформовані практично будь-якою масою у великих флуктуаціях густини у ранньому Всесвіті. Хоча це можливо, досить важко знайти модель, яка виробляє їх, при цьому не створюючи надмірної кількості.

Нарешті, є дуже умоглядна ідея про те, що на Великому адронному колайдері можуть утворюватись крихітні чорні дірки з масами, близькими до бозона Хіггса. Це працює тільки в тому випадку, якщо наш Всесвіт має додаткові вимірювання. Поки що не було жодних підтверджень на користь цієї теорії.

Звідки ми знаємо, що чорні дірки існують?

У нас є багато наглядових доказів існування компактних об'єктів з великими масами, які не випромінюють світло. Ці об'єкти видають себе за гравітаційним тяжінням, наприклад, за рахунок руху інших зірок або газових хмар навколо них. Вони також утворюють гравітаційне лінзування. Ми знаємо, що ці об'єкти не мають твердої поверхні. Це випливає зі спостережень, тому що речовина, падаючи на об'єкт з поверхнею, повинна викликати викид більшої кількості частинок, ніж речовина, що падає крізь обрій.

Чому минулого року Хокінг сказав, що чорних дір не існує?

Він мав на увазі, що чорні дірки не мають вічного горизонту подій, а лише тимчасовий горизонт (див. пункт перший). У строгому сенсі лише обрій подій вважається чорною діркою.

Як чорні дірки випромінюють?

Чорні діри випромінюють за рахунок квантових ефектів. Це квантові ефекти речовини, а не квантові ефекти гравітації. Динамічне простір-час колапсуючої чорної дірки змінює саме визначення частки. Подібно до перебігу часу, що спотворюється поруч із чорною діркою, поняття часток занадто залежне від спостерігача. Зокрема, коли спостерігач, який падає у чорну дірку, думає, що падає у вакуум, спостерігач далеко від чорної діри думає, що це не вакуум, а повне частинок простір. Саме розтягування простору-часу викликає цей ефект.

Вперше виявлене Стівеном Хокінгом, що випромінюється чорною діркою випромінювання називається «випромінюванням Хокінга». Це випромінювання має температуру, обернено пропорційну масі чорної діри: чим менше чорна діра, тим вища температура. У зіркових і надмасивних чорних дірок, які ми знаємо, температура значно нижча за температуру мікрохвильового фону і тому не спостерігається.

Що таке інформаційний феномен?

Парадокс втрати інформації обумовлений випромінюванням Хокінга. Це випромінювання суто термічне, тобто випадково і з певних властивостей має лише температуру. Випромінювання саме собою не містить жодної інформації про те, як сформувалася чорна діра. Але коли чорна діра випромінює випромінювання, вона втрачає масу і скорочується. Все це зовсім не залежить від речовини, яка стала частиною чорної діри або з якої вона утворилася. Виходить, знаючи лише кінцевий стан випаровування не можна сказати, з чого сформувалася чорна дірка. Цей процес «незворотний» - і проблема в тому, що в квантовій механіці немає такого процесу.

Виходить, випаровування чорної діри несумісне з квантовою теорією, відомою нам, і з цим треба щось робити. Якимось чином усунути неузгодженість. Більшість фізиків вважають, що рішення полягає в тому, що випромінювання Хокінга має якимось чином містити інформацію.

Що пропонує Хокінг для вирішення інформаційного феномена чорної діри?

Ідея полягає в тому, що чорні діри мають мати спосіб зберігати інформацію, який досі не прийняли. Інформація зберігається на горизонті чорної діри і може викликати крихітні усунення частинок у випромінюванні Хокінгу. У цих крихітних зміщеннях може бути інформація про потрапив всередину матерії. Точні деталі цього процесу нині визначено. Вчені чекають більш детального технічного документа від Стівена Хокінга, Малькома Перрі та Ендрю Стромінджера. Кажуть, він з'явиться наприкінці вересня.

На даний момент ми впевнені, що чорні дірки існують, знаємо де вони знаходяться, як утворюються і чим стануть у результаті. Але деталі того, куди подіється інформація, що надходить в них, досі представляють одну з найбільших загадок Всесвіту.

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.

Чорні дірки, темна матерія, темна речовина… Це, безперечно, найдивніші та загадкові об'єкти у космосі. Їхні химерні властивості можуть кинути виклик законам фізики Всесвіту і навіть природі існуючої дійсності. Щоб зрозуміти, що таке чорні дірки, вчені пропонують “змінити орієнтири”, навчитися думати нестандартно й застосувати трохи фантазії. Чорні дірки утворюються з ядер супер масивних зірок, які можна охарактеризувати як область простору, де величезна маса зосереджена в порожнечі, і нічого навіть світло не може там уникнути гравітаційного тяжіння. Це та область, де друга космічна швидкість перевищує швидкість світла: І чим масивніший об'єкт руху, тим швидше він повинен рухатися для того, щоб позбавитися сили своєї тяжкості. Це відомо як друга космічна швидкість.

Енциклопедія Кольєра називає чорними дірками область у просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння таке велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її залишити. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з рештою Всесвіту; фізичні процеси, що відбуваються всередині чорної діри, не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина та випромінювання вільно падає крізь неї у чорну дірку, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій".

Історія відкриття

Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном в 1915) та іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р. Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. Але властивості простору і часу в околиці що астрономи та фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Проте астрономічні відкриття у середині 1960-х років змусили глянути на чорні дірки як на можливу фізичну реальність. Нові відкриття та вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір та час, проливаючи світло на мільярди космічних таємниць.

Освіта чорних дірок

Поки що у надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під впливом власної гравітації. Однак згодом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що й маса зірки вбирається у трьох мас Сонця, вона виграє “битву з гравітацією”: її гравітаційний колапс буде зупинено тиском “виродженого” речовини, і зірка назавжди перетвориться на білий карлик чи нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під обрій подій, ставши чорною діркою.

Чорна діра - дірка від бублика?

Те, що не випромінює світло, помітити непросто. Одним із способів пошуку чорної діри є пошук областей у відкритому космосі, які мають велику масу і знаходяться в темному просторі. При пошуку подібних типів об'єктів астрономи виявили їх у двох основних областях: у центрах галактик та у подвійних зіркових системах нашої Галактики. Загалом, як припускають вчені, існує десятки мільйонів таких об'єктів.

В даний час єдиний достовірний спосіб відрізнити чорну дірку від об'єкта іншого типу полягає в тому, щоб виміряти масу та розміри об'єкта та порівняти його радіус з

Розгляньте загадкові та невидимі чорні діриу Всесвіті: цікаві факти, дослідження Ейнштейна, надмасивні та проміжні типи, теорія, будова.

– одні з найцікавіших та найтаємничіших об'єктів у космічному просторі. Мають високу щільність, а гравітаційна сила настільки потужна, що навіть світла не вдається вирватися за її межі.

Вперше про чорні діри заговорив Альберт Ейнштейн у 1916 році, коли створив загальну теорію відносності. Сам термін виник у 1967 році завдяки Джону Уїлеру. А першу чорну дірку «помітили» 1971 року.

Класифікація чорних дірок включає три типи: чорні діри зоряної маси, надмасивні та чорні діри середньої маси. Обов'язково подивіться відео про чорні дірки, щоб дізнатися багато цікавих фактів та познайомитись із цими загадковими космічними формуваннями ближче.

Цікаві факти про чорні діри

• Якщо ви опинилися всередині чорної дірки, то гравітація вас розтягуватиме. Але боятися не потрібно, адже ви помрете ще до того, як досягнете сингулярності. Дослідження 2012 року припустили, що квантові ефекти перетворюють обрій подій на вогненну стіну, що зробила з вас купку попелу.
• Чорні дірки не «всмоктують». Цей процес викликається вакуумом, якого немає у цій освіті. Тож матеріал просто падає.
• Першою чорною діркою став Лебідь Х-1, знайдений ракетами із лічильниками Гейгера. 1971 року вчені отримали сигнал радіовипромінювання від Лебедя Х-1. Цей об'єкт став предметом суперечки між Кіпом Торном та Стівеном Хокінгом. Останній уважав, що це не чорна діра. 1990 року він визнав свою поразку.
• Крихітні чорні діри могли з'явитися відразу після Великого Вибуху. Простір, що стрімко обертається, стискав деякі області в щільні дірки, з меншою масивністю, ніж у Сонця.
• Якщо зірка підійде надто близько, її може розірвати.
• За загальним підрахунком, існує приблизно до мільярда зіркових чорних дірок із масою втричі більше за сонячну.
• Якщо порівнювати теорію струн та класичну механіку, то перша породжує більше різновидів потужних гігантів.

Небезпека чорних дірок

Коли зірка закінчує паливо, вона може запустити процес саморуйнування. Якщо її маса була втричі більша за сонячну, то ядро, що залишилося, стане нейтронною зіркою або білим карликом. Але більша зірка трансформується у чорну дірку.

Такі об'єкти маленькі, але мають неймовірну щільність. Уявіть, що перед вами об'єкт, розміром у місто, але його маса втричі більша за сонячну. Це створює неймовірно величезну гравітаційну силу, яка притягує пил та газ, збільшуючи його розміри. Ви здивуєтеся, але може розташовуватися кілька сотень мільйонів зіркових чорних дір.

Надмасивні чорні дірки

Звичайно, ніщо у Всесвіті не зрівняється зі страхітливими надмасивними чорними дірками. Вони перевершують сонячну масу у мільярди разів. Вважають, що такі об'єкти є практично у кожній галактиці. Вчені поки що не знають усіх тонкощів процесу формування. Швидше за все, вони виростають за рахунок накопичення маси з навколишнього пилу та газу.

Можливо, вони завдячують своїм масштабам злиття тисячі невеликих чорних дірок. Або ж могло зруйнуватися ціле зоряне скупчення.

Чорні дірки в центрах галактик

Астрофізик Ольга Сільченко про відкриття надмасивної чорної діри в туманності Андромеди, дослідженнях Джона Корменді та темних гравітуючих тілах:

Природа космічних радіоджерел

Астрофізик Анатолій Засов про синхротронне випромінювання, чорні діри в ядрах далеких галактик і нейтральний газ:

Проміжні чорні дірки

Нещодавно вчені знайшли новий вид - чорні дірки середньої маси (проміжні). Вони можуть формуватися, коли зірки скупчуються, піддавшись ланцюгової реакції. У результаті падають у центр і формують надмасивну чорну дірку.

У 2014 році астрономи виявили проміжний тип у рукаві спіральної галактики. Їх дуже складно знайти, тому що можуть розташовуватись у непередбачуваних місцях.

Мікрочорні діри

Фізик Едуард Боос про безпеку ВАК, народження мікрочорної дірки та поняття мембрани:

Теорія чорних дірок

Чорні дірки – надзвичайно масивні об'єкти, але охоплюють порівняно скромний обсяг простору. Крім того, мають величезну гравітацію, не дозволяючи об'єктам (і навіть світлу) залишити їхню територію. Однак, безпосередньо побачити їх неможливо. Дослідникам доводиться звертатися до випромінювання, що з'являється, коли чорна діра живиться.

Цікаво, але буває так, що речовина, що прямує до чорної дірки, відскакує від обрії подій і викидається назовні. При цьому формуються яскраві струмені матеріалу, що пересуваються на релятивістських швидкостях. Ці викиди можна зафіксувати великих дистанціях.

– дивовижні об'єкти, в яких сила тяжіння настільки величезна, що може згинати світло, деформувати простір та спотворювати час.

У чорних дірах можна виділити три шари: зовнішній та внутрішній горизонт подій та сингулярність.

Горизонт подій чорної дірки – кордон, де у світла зникають усі шанси на втечу. Як тільки частка переходить цей рубіж, вона не зможе піти. Внутрішня область, де є маса чорної дірки, називається сингулярністю.

Якщо ми говоримо з позиції класичної механіки, то нічого не може залишити чорну дірку. Але квантова робить свою поправку. Справа в тому, що кожна частка має античастинку. Вони мають однакові маси, але різний заряд. Якщо перетнулися, то можуть анігілювати один одного.

Коли така пара виникає за межами обрії подій, то одна з них може втягнутися, а друга відштовхнеться. Через це обрій здатний зменшитися, а чорна діра зруйнуватися. Вчені досі намагаються вивчити цей механізм.

Аккреція

Астрофізик Сергій Попов про надмасивні чорні діри, утворення планет і акрецію речовини в ранньому Всесвіті:

Найбільш відомі чорні дірки

Часті питання про чорні діри

Якщо більш ємно, то чорна діра - певна ділянка в космосі, в якій сконцентровано таку величезну кількість маси, що жодному об'єкту не вдається уникнути гравітаційного впливу. Коли йдеться про гравітацію, ми покладаємося на загальну теорію відносності, яку пропонує Альберт Ейнштейн. Щоб розібратися в деталях об'єкта, що вивчається, будемо рухатися поетапно.

Давайте уявимо, що ви знаходитесь на поверхні планети і підкидаєте камінь. Якщо ви не маєте сили Халка, то не зможете докласти достатньо сили. Тоді камінь підніметься на певну висоту, але під тиском гравітації звалиться назад. Якщо ж у вас є прихований потенціал зеленого силача, то ви здатні надати об'єкту достатнього прискорення, завдяки якому він повністю залишить зону гравітаційного впливу. Це називається "швидкість тікання".

Якщо розбити на формулу, ця швидкість залежить від планетарної маси. Чим вона більша, тим потужніше гравітаційне захоплення. Швидкість вильоту покладатиметься на те, де саме ви знаходитесь: чим ближче до центру, тим простіше вибратися. Швидкість вильоту нашої планети – 11.2 км/с, тоді як – 2.4 км/с.

Наближаємося до найцікавішого. Припустимо, у вас є об'єкт з неймовірною концентрацією маси, зібраної в крихітному місці. У такому разі швидкість втікання перевищує швидкість світла. А ми знаємо, що ніщо не рухається швидше за цей показник, а значить, ніхто не зможе подолати таку силу і втекти. Навіть світловому променю це не під силу!

Ще у 18 столітті Лаплас розмірковував над надзвичайною концентрацією маси. Після загальної теорії відносності Карл Шварцшільд зміг знайти математичне рішення для рівняння теорії, щоб описати подібний об'єкт. Далі свій внесок внесли Оппенгеймер, Волькофф і Снайдер (1930-ті рр.). З того моменту люди почали обговорювати цю тему всерйоз. Стало ясно: коли в масивної зірки закінчується паливо, вона не здатна протистояти силі гравітації і повинна звалитися в чорну дірку.

Теоретично Ейнштейна гравітація виступає проявом кривизни у просторі та часу. Справа в тому, що звичайні геометричні правила тут не працюють і масивні об'єкти спотворюють простір-час. Чорна діра має химерні властивості, тому її спотворення видно найвиразніше. Наприклад, об'єкт має «горизонт подій». Це поверхня сфери, що відзначає межу дірки. Тобто, якщо ви переступите цю межу, то дороги назад немає.

Якщо буквально, то це місце, де швидкість втікання прирівнюється до світлової. Поза цим місцем швидкість втікання поступається швидкості світла. Але якщо ваша ракета здатна розігнатися, енергії вистачить на втечу.

Сам обрій досить дивний з погляду геометрії. Якщо ви розташовані далеко, то здасться, що дивіться на статичну поверхню. Але якщо підійти ближче, то приходить усвідомлення, що вона рухається назовні зі світловою швидкістю! Тепер зрозуміло чому легко увійти, але так складно втекти. Так, це дуже заплутано, адже фактично обрій стоїть на місці, але водночас і мчить зі швидкістю світла. Це як у ситуації з Алісою, якій треба було бігти якнайшвидше, щоб просто залишитися на місці.

При попаданні в обрій, простір і час переживають таке сильне спотворення, що координати починають описувати ролі радіальної відстані та часу перемикання. Тобто «r», яка відзначає дистанцію від центру, стає тимчасовою, а за «просторовість» тепер відповідає «t». У результаті ви не зможете перестати пересуватися з меншим показником r, як і не здатні у звичайному часі потрапити в майбутнє. Ви прийдете до сингулярності, де r=0. Можна викидати ракети, запускати двигун на максимум, але вам не втекти.

Термін «чорна діра» вигадав Джон Арчібальд Вілер. До цього їх називали «остиглими зірками».

Фізик Еміль Ахмедов про вивчення чорних дірок, Карла Шварцшильда та гігантських чорних дірок:

Існує два способи обчислити, наскільки щось велике. Можна назвати масу чи яку величину займає ділянку. Якщо брати перший критерій, немає конкретної межі масивності чорної діри. Можна використовувати будь-яку кількість, якщо ви здатні її стиснути до необхідної щільності.

Більшість цих утворень з'явилася після смерті масивних зірок, тому можна очікувати, що їхня вага має бути рівнозначною. Типова маса для такої дірки повинна бути в 10 разів більшою за сонячну – 10 31 кг. Крім того, у кожній галактиці повинна проживати центральна надмасивна чорна діра, маса якої перевищує сонячну в мільйон разів – 10 36 кг.

Чим масивніший об'єкт, тим більше маси охоплює. Радіус горизонту і маса прямо пропорційні, тобто, якщо чорна діра важить у 10 разів більше за іншу, то і її радіус у 10 разів більший. Радіус дірки із сонячною масивністю дорівнює 3 км, а якщо в мільйон разів більше, то 3 мільйони км. Здається, що це надзвичайно потужні речі. Але не забуватимемо, що для астрономії це стандартні поняття. Сонячний радіус досягає 700000 км, а у чорної діри у 4 рази більше.

Припустимо, що вам не пощастило і ваш корабель невблаганно рухається до надмасивної чорної діри. Нема рації боротися. Ви просто вимкнули двигуни і йдете назустріч неминучому. Чого чекати?

Почнемо з невагомості. Ви перебуваєте у вільному падінні, тому екіпаж, корабель і всі деталі невагомі. Чим ближче до центру отвору, тим сильніше відчуваються приливні гравітаційні сили. Наприклад, ваші ноги ближчі до центру, ніж голова. Тоді вам починає здаватися, що вас розтягують. У результаті вас просто розірве на частини.

Ці сили непомітні, поки ви не підійде на віддаленість за 600000 км від центру. Це вже після межі горизонту. Але ми говоримо про величезний об'єкт. Якщо ви падаєте в дірку із сонячною масою, то приливні сили охопили б вас за 6000 км від центру і розірвали до того, як ви підійшли до горизонту (тому ми відправляємо вас у велику, щоб змогли померти вже всередині дірки, а не на підході) .

Що всередині? Не хочеться розчаровувати, але нічого примітного. Деякі об'єкти можуть спотворюватися на вигляд і більше нічого незвичайного. Навіть після переходу горизонту ви бачитимете речі навколо себе, оскільки вони рухаються з вами.

Скільки на все це знадобиться часу? Все залежить від вашої віддаленості. Наприклад, ви почали з точки спокою, де сингулярність у 10 разів більша за радіус діри. Для підходу до горизонту потрібно лише 8 хвилин, а потім ще 7 секунд, щоб увійти в сингулярність. Якщо падаєте в маленьку чорну дірку, все відбудеться швидше.

Як тільки переступите обрій, можете стріляти ракетами, кричати і плакати. На все це у вас 7 секунд, доки не потрапите в сингулярність. Але нічого вже не врятує. Тому просто насолоджуйтеся поїздкою.

Припустимо, ви приречені та падаєте в дірку, а ваш друг/подруга спостерігає за цим здалеку. Ну, він побачить усе по-іншому. Зауважить, що ближче до горизонту ви уповільните свій хід. Але навіть якщо людина просидить сотню років, вона так і не дочекається, коли ви досягнете горизонту.

Спробуємо пояснити. Чорна діра могла з'явитися з зірки, що колапсує. Оскільки матеріал руйнується, то Кирило (нехай буде вашим другом) бачить його зменшення, але ніколи не помітить підходу до горизонту. Саме тому їх називали «замороженими зірками», адже здається, ніби вони замерзають із певним радіусом.

У чому ж справа? Назвемо це оптичною ілюзією. Для формування дірки не потрібна нескінченність, як і переходу через горизонт. У міру вашого підходу світла потрібно більше часу, щоб дістатися Кирила. Якщо точніше, то випромінювання в реальному часі від переходу зафіксується біля горизонту надовго. Ви вже давно переступили за лінію, а Кирило все ще спостерігає світловий сигнал.

Або ж можна підійти з іншого боку. Час тягнеться довше біля обрію. Наприклад, ви маєте суперпотужний корабель. Вам вдалося наблизитися до обрію, побути там пару хвилин і вибратися живим до Кирила. Кого ж ви побачите? Старого! Адже для вас час протікав набагато повільніше.

Що тоді правильно? Ілюзія чи гра часу? Все залежить від системи координат при описі чорної діри. Якщо покладатися на координати Шварцшильда, при перетині горизонту тимчасова координата (t) дорівнює нескінченності. Але показники цієї системи надають розмите уявлення про те, що відбувається біля самого об'єкта. У лінії горизонту всі координати спотворюються (сингулярність). Але ви можете використовувати обидві системи координат, тому дві відповіді мають силу.

Насправді ви просто станете невидимкою, і Кирило перестане вас бачити ще до того, як мине багато часу. Не варто забувати про червоне усунення. Ви випромінюєте спостерігається світло на певній хвилі, але Кирило побачить його на довшій. Хвилі подовжуються в міру наближення до горизонту. Крім того, не варто забувати, що випромінювання відбувається у певних фотонах.

Наприклад, у момент переходу ви відправите останній фотон. Він досягне Кирила у певний кінцевий час (приблизно годину для надмасивної чорної дірки).

Звичайно, ні. Не забувайте про існування обрії подій. Тільки з цієї області ви не можете вибратися. Достатньо просто не наближатися до неї та почувайтеся спокійно. Більш того, з безпечної відстані вам цей об'єкт здаватиметься звичайнісіньким.

Інформаційний парадокс Хокінга

Фізик Еміль Ахмедов про дію гравітації на електромагнітні хвилі, інформаційний парадокс чорних дірок і принцип передбачуваності в науці:

Не панікуйте, тому що Сонцю ніколи не трансформуватись у подібний об'єкт, тому що йому просто не вистачить маси. Тим більше, що воно зберігатиме свій теперішній зовнішній вигляд ще 5 мільярдів років. Потім перейде до етапу червоного гіганта, проковтнувши Меркурій, Венеру і добре підсмаживши нашу планету, а потім стане звичайним білим карликом.

Але давайте віддамося фантазії. Отже, Сонце стало чорною діркою. Почнемо з того, що відразу нас укутає темрява та холод. Земля та інші планети не всмоктуватимуться у дірку. Вони продовжать обертатися навколо нового об'єкта за звичайними орбітами. Чому? Тому що горизонт сягатиме всього 3 км, і гравітація нічого не зможе з нами зробити.

Так. Звісно, ​​ми можемо покладатися на видиме спостереження, оскільки світла не вдається вирватися. Але є непрямі докази. Наприклад, ви бачите ділянку, де може бути чорна діра. Як це перевірити? Почніть із виміру маси. Якщо видно, що в одній області її занадто багато або вона ніби непомітна, то ви на вірному шляху. Є дві точки пошуку: галактичний центр та подвійні системи з рентгенівським випромінюванням.

Таким чином, у 8 галактиках знайшли масивні центральні об'єкти, маса яких ядер коливається від мільйона до мільярда сонячних. Масу обчислюють через спостереження за швидкістю обертання зірок та газу навколо центру. Чим швидше, тим більше має бути маса, щоб утримати їх на орбіті.

Ці масивні об'єкти вважають чорними дірками із двох причин. Ну, просто немає варіантів. Немає нічого масивнішого, темнішого і компактнішого. До того ж є теорія, що у всіх активних та великих галактиках у центрі ховається такий монстр. Але все ж таки це не 100% докази.

Але на користь теорії говорять дві останні знахідки. Біля найближчої активної галактики помітили систему «водяного мазера» (потужне джерело мікрохвильового випромінювання) біля ядра. За допомогою інтерферометра вчені відобразили розподіл газових швидкостей. Тобто вони виміряли швидкість у межах половини світлового року в галактичному центрі. Це допомогло їм зрозуміти, що всередині розташований масивний об'єкт, радіус якого досягає половини світлового року.

Друга знахідка переконує ще більше. Дослідники за допомогою рентгена натрапили на спектральну лінію галактичного ядра, що вказує на присутність поряд атомів, швидкість руху яких неймовірно висока (1/3 світловий). Крім того, випромінювання відповідало червоному зміщенню, що відповідає горизонту чорної дірки.

Ще один клас можна знайти в Чумацькому Шляху. Це зіркові чорні дірки, що формуються після вибуху наднової. Якби вони існували окремо, то навіть поблизу ми навряд чи її помітили б. Але нам щастить, адже більшість існує у подвійних системах. Їх легко знайти, тому що чорна дірка тягтиме масу свого сусіда і впливатиме на нього гравітацією. Вирваний матеріал формує акреційний диск, в якому все нагрівається, а значить, створює сильне випромінювання.

Припустимо, вам удалося знайти подвійну систему. Як зрозуміти, що компактний об'єкт є чорною діркою? Знову звертаємось до маси. Для цього виміряйте орбітальну швидкість сусідньої зірки. Якщо маса неймовірно величезна за таких малих розмірів, то варіантів не залишається.

Це складний механізм. Подібну тему Стівен Хокінг торкнувся ще у 1970-х роках. Він казав, що чорні дірки не зовсім «чорні». Там є квантово-механічні ефекти, що змушують її створювати випромінювання. Поступово дірка починає стискатися. Швидкість випромінювання зростає із зменшенням маси, тому діра випромінює все більше і прискорює процес стиснення, доки не розчиниться.

Однак це лише теоретична схема, адже ніхто не може точно сказати, що відбувається на останньому етапі. Дехто думає, що залишається невеликий, але стабільний слід. Сучасні теорії не придумали поки що нічого кращого. Але сам процес неймовірний та складний. Доводиться обчислювати параметри у викривленому просторі-часі, а самі результати не піддаються перевірці у звичних умовах.

Тут можна скористатися законом збереження енергії, але тільки для коротких тривалостей. Всесвіт може створювати енергію та масу з нуля, але тільки вони мають швидко зникати. Один із проявів – вакуумні флуктуації. Пари частинок та античастинок виростають з нізвідки, існують певний недовгий термін та гинуть у взаємному знищенні. При появі енергетичний баланс порушується, але все відновлюється після зникнення. Здається фантастикою, але цей механізм експериментально підтверджений.

Допустимо, одна з вакуумних флуктуацій діє біля горизонту чорної дірки. Можливо, одна з частинок падає усередину, а друга тікає. Той, хто втік, забирає з собою частину енергії дірки і може потрапити на очі спостерігачеві. Йому здасться, що чорний об'єкт просто випустив частку. Але процес повторюється, і ми бачимо безперервний потік випромінювання із чорної дірки.

Ми вже казали, що Кирилу здається, ніби вам потрібна нескінченність, щоб переступити через лінію горизонту. Крім того, згадувалося, що чорні дірки випаровуються через кінцевий часовий проміжок. Тобто коли ви досягнете горизонту, дірка зникне?

Ні. Коли ми описували спостереження Кирила, ми не говорили про процес випаровування. Але якщо цей процес присутній, то все змінюється. Ваш друг побачить, як ви перелетите через обрій саме в момент випаровування. Чому?

Над Кирилом панує оптична ілюзія. Випромінюваному світлу в горизонті подій потрібно багато часу, щоб дістатися друга. Якщо дірка триває вічно, то світло може йти нескінченно довго, і Кирило не діждеться переходу. Але, якщо дірка випарувалася, то світло вже ніщо не зупинить, і воно дістанеться хлопця в момент вибуху випромінювання. Але вам уже байдуже, адже ви давно загинули у сингулярності.

У формулах загальної теорії відносності є цікава особливість – симетричність у часі. Наприклад, у будь-якому рівнянні ви можете уявити, що час тече назад і отримаєте інше, але все ж таки правильно, рішення. Якщо застосувати цей принцип до чорних дір, то народжується біла дірка.

Чорна діра – певна область, з якої нічого не може вибратися. Але другий варіант, це біла дірка, в яку ніщо не може впасти. Фактично вона все відштовхує. Хоча з математичної точки зору все виглядає гладко, але це не доводить їх існування в природі. Скоріш за все, їх немає, як і способу це з'ясувати.

До цього моменту ми говорили про класику чорних дірок. Вони не обертаються та позбавлені електричного заряду. А ось у протилежному варіанті починається найцікавіше. Наприклад, ви можете потрапити усередину, але уникнути сингулярності. Більше того, її «начинка» здатна контактувати з білою діркою. Тобто ви потрапите у своєрідний тунель, де чорна діра – вхід, а біла – вихід. Подібну комбінацію називають червоточиною.

Цікаво, що біла дірка може бути в будь-якому місці, навіть у іншому Всесвіті. Якщо вміти керувати такими червоточинами, ми забезпечимо швидке транспортування в будь-яку область простору. А ще крутіше – можливість подорожей у часі.

Але не пакуйте рюкзак, поки не дізнаєтесь кілька моментів. На жаль, велика ймовірність, що таких формувань немає. Ми вже говорили, що білі дірки – висновок із математичних формул, а не реальний та підтверджений об'єкт. Та й усі чорні діри, що спостерігаються, створюють падіння матерії і не формують червоточин. І кінцева зупинка – сингулярність.