Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 4.3.5 Чорні дірки

Ще в 1795 році великий французький математик П'єр Сімон Лаплас дійшов висновку, що світло не може залишити тіло, якщо останнє достатньо масивне або дуже сильно стиснуте. До середини 60-х років XX століття астрофізикам вдалося з'ясувати структуру зірок і хід їх еволюції. З'ясувалося, що чорні дірки — це один із трьох можливих варіантів кінцевої стадії еволюції зірок. Це те, що залишається після катастрофічного гравітаційного колапсу масивної зірки, коли вона вмирає. У разі колапсу напруженість сили тяжіння над її поверхнею стає настільки великою, що простір-час навколо зірки згортається, і зірка зникає зі Всесвіту, залишаючи по собі тільки надзвичайно викривлений осередок простору-часу.

На значній відстані від чорної дірки простір-час майже плоский і світлові промені поширюються прямолінійно. Твердження, що чорні дірки є загрозою для нас, зовсім не обґрунтовані. Чорні дірки не можуть переміщуватися у Всесвіті і то там, то деінше поглинати планети, зірки й галактики. Усього за кілька тисяч кілометрів від чорних дірок, які мають масу, що дорівнює приблизно 10-20 сонячних мас, простір-час практично плоский і релятивістські ефекти незначні.

Чим ближче до чорної дірки проходять промені світла, тим на більший кут вони відхиляються. Можна навіть спрямувати промінь світла в напрямку чорної дірки таким чином, що це світло потрапить на колову орбіту навколо дірки й поглинеться. Ця сфера називається фотонною сферою, або фотонною окружністю. Нарешті, ті промені світла, які націлені прямо на чорну дірку, "усмоктуються" в неї. Ці промені назавжди залишають зовнішній світ. Така поведінка властива найпростішому з можливих типів чорних дірок. У 1916 році німецький астроном Карл Шварцшильд запропонував точний розв'язок рівнянь гравітаційного поля Ейнштейна. Цей розв'язок Шварцшильда описує сферично симетричну чорну дірку, яка має тільки масу. Умираюча зірка, породженням якої є чорна дірка, не обертається і не повинна мати ні електричного заряду, ні магнітного поля.

Зрозуміти природу шварцшильдівської чорної дірки можна, розглянувши вмираючу масивну зірку (але таку, яка не обертається і не має заряду) в процесі гравітаційного колапсу. Уявімо, що хтось стоїть на поверхні такої умираючої зірки, у якої тільки-но вичерпалося ядерне паливо. Безпосередньо перед початком колапсу наш спостерігач бере могутній прожектор і спрямовує його промені в різні боки. Так як речовина зірки до цього часу була розподілена в досить великому об'ємі, гравітаційне поле біля поверхні зірки залишається досить слабким. Тому промінь прожектора поширюється прямолінійно або майже прямолінійно. Однак після того, як розпочався процес колапсу, речовина зірки стискається всередині все меншого й меншого об'єму. Із зменшенням розмірів зірки тяжіння на її поверхні зростає все більше й більше. Збільшення кривизни простору-часу призводить до відхилення світлового променя від попереднього прямолінійного поширення. Спочатку промені, які випромінює прожектор під малим кутом до горизонту, відхиляються вниз до поверхні. Але пізніше, у зв'язку з розвитком колапсу, нашому досліднику доводиться спрямовувати промені все ближче до вертикалі, щоб вони могли назавжди піти від зірки. Зрештою, на певній критичній стадії колапсу дослідник виявить, що вже жоден промінь не може залишити зірку. Як би наш дослідник не спрямовував свій прожектор, його промінь усе одно змінює свій напрямок так, що знову потрапляє вниз, на зірку. Тоді кажуть, що зірка минула свій горизонт подій. Ніщо із того, що опинилося за горизонтом подій. не може потрапити назовні, навіть світло. Наш дослідник буквально зникає із зовнішнього Всесвіту.

Термін "горизонт подій" — дуже вдала назва для тієї поверхні в просторі-часі, з якої ніщо не може вивільнитися. Це справді "горизонт", за яким усі події зникають для нас. Іноді горизонт подій, який оточує чорну дірку, називають її поверхнею.

Знаючи розв'язок Шварцшильда, можна розрахувати положення горизонту подій, що оточує чорну дірку. Наприклад, поперечник сфери горизонту подій чорної дірки, яка має масу 10 сонячних мас, становить близько 60 км. Як тільки вмираюча зірка стиснеться до поперечника 60 км, простір-час зазнає настільки сильного викривлення, що навколо зірки виникає горизонт подій. У результаті зірка зникає.

На момент, коли вмираюча зірка піде за свій горизонт подій, її розміри ще досить великі, але ніякі фізичні сили вже не можуть зупинити її подальше стиснення. І зірка в цілому продовжує стискатися, поки, нарешті, не припинить своє існування в точці, що відповідає центру чорної дірки. У цій точці нескінченний тиск, нескінченна густина й нескінченна кривизна простору-часу. Це "місце" в просторі-часі називається сингулярністю.

"Згортання" зірки відбувається дуже швидко — приблизно протягом с. Усього мить — і колишня яскрава зірка стає зовсім чорною.

Одночасно зі швидким ослабленням яскравості вмираючої зірки "вступає в гру" й інший важливий ефект. Справа в тому, що тяжіння викликає уповільнення перебігу часу. Цей ефект називається гравітаційним червоним зміщенням, тому що світло, яке випромінюють атоми, занурені в гравітаційне поле, "зміщується" в бік більш довгих хвиль. Тому для астронома, який спостерігає збоку, зірка в стані колапсу стає одночасно і слабкою, і такою, що все більше світла випромінює в діапазоні довгих ("червоних") хвиль.

Уповільнення ходу часу, яке майже неможливо помітити в слабкому гравітаційному полі Землі, стає в процесі утворення чорної дірки чинником фундаментальної важливості. Адже на самому горизонті подій час повністю зупиняється. Пояснюючи цей факт, потрібно бути дуже обережним. Проілюструємо ситуацію. Уявімо, що ми кинули камінь в чорну дірку. Припустимо, ми випустили цей камінь з рук, знаходячись дуже далеко від чорної дірки, де простір-час майже плоский. Спостерігаючи рух каменя, ми побачимо, що з наближенням до чорної дірки він падає все швидше й швидше. Якби ньютонівська теорія була правильною, то наш камінь продовжував би збільшувати швидкість, і в момент урізання в сингулярність він рухався б практично з нескінченною швидкістю. Але в настільки сильних гравітаційних полях ньютонівська теорія не може дати правильну відповідь. Виявляється, що коли камінь наближається до горизонту подій, починається стрімке уповільнення часу. Ми, на свій подив, виявимо, що камінь починає падати все повільніше й зовсім зупиняється на горизонті подій, тому що на цьому горизонті для зовнішнього спостерігача перестає рухатися час.

Отже, ми ніколи не побачимо цієї події — як камінь перетинає горизонт подій. Однак той, хто падає разом з каменем, буде спостерігати зовсім іншу картину. Спостерігач у стані вільного падіння не зможе помітити уповільнення часу. Пояснити цю дивну ситуацію можна таким чином: все, що бачить спостерігач у стані вільного падіння, сповільнюється в тій же пропорції, включаючи навіть його пульс і темп старіння.

Годинник спостерігача, який перебуває в стані вільного падіння, відраховує час у своєму звичайному темпі. Тому спостерігач дуже швидко (за своїм годинником) проскакує горизонт подій. Однак відразу після проходження горизонту він виявляє, що не все гаразд. Подібно до того, як на горизонті подій зупинився час для зовнішнього спостерігача, усередині горизонту час міняється ролями з простором. У нас на Землі людина здатна переміщуватися в трьох просторових вимірах. Однак у часовому вимірі ми неспроможні "ходити" туди й назад. Ми невпинно йдемо у часі тільки вперед від народження до смерті — хочемо ми цього чи не хочемо. '

Усередині ж горизонту подій простір і час міняються ролями. Невдаху-космонавта. який потрапив під горизонт подій, починає невпинно затягувати в простір назустріч сингулярності.

Щоб уникнути плутанини, пов'язаної з вимірюванням часу, фізики вводять два типи часу — координатний і власний. Координатний час — час, котрий вимірює спостерігач, що знаходиться далеко від чорної дірки. Власний час — це той час, котрий визначає за своїм годинником спостерігач, перебуваючи у стані вільного падіння. Часи ці відрізняються.

Хоч у разі колапсу зірки й появи чорної дірки і втрачається величезна кількість інформації, усе-таки дещо залишається і ззовні. Наприклад, найсильніше викривлення простору-часу навколо чорної дірки вказує на те, що тут умерла зірка. З масою мертвої зірки пов'язаний поперечник фотонної сфери й горизонт подій.

Наприкінці 1960-х років астрофізики напружено працювали над проблемою: інформація про які властивості чорних дірок зберігається, а про які — втрачається в них? Результатом їхніх зусиль є знаменита теорема про те, що "у чорної дірки немає волосся". Віддалений спостерігач може визначити масу, заряд і момент кількості руху чорної дірки. Отож, виявилося, що якщо задати масу, електричний заряд і момент кількості руху, то про чорну дірку вже буде відомо все — у неї просто немає інших властивостей. Таким чином, чорні дірки — це дуже прості об'єкти, для їх опису потрібно набагато менше характеристик, ніж, скажімо, для опису зірок. Дивно, але в чорної дірки зовсім немає волосся!

Оскільки чорні дірки можна повністю описати за допомогою трьох параметрів, то повинно існувати лише кілька розв'язків рівнянь гравітаційного поля Ейнштейна, причому кожне описуватиме свій "добропорядний" тип чорних дірок.

Найпростіший тип чорної дірки - дірка, яка має лише масу, — описує розв'язок Шварцшильда. Якщо дірка має масу Й заряд — її описує розв'язок Райснера-Нордстрема. Для дірки, що має масу й момент кількості руху, розв'язок отримав Керр у 1963 році. І в 1965 році було отримано розв'язок Керра-Ньюмена, який описує заряджену дірку, що обертається.

Розв'язки рівнянь містять несподіванки. Так, повною протилежністю розв'язку Шварцшильда частина простору безпосередньо біля сингулярності Райснера-Нордстрема — це царство антигравітації. І це ще не все. Космонавт, який опустився під зовнішній горизонт подій, уже ніколи не зможе повернутися в наш Всесвіт, але може потрапити у Всесвіт майбутнього або в який-небудь інший всесвіт.

До 1974 року фізики вважали, що чорна дірка — це втілення пітьми. Горизонт подій являє собою непроникну перешкоду, яка не дозволяє довідатися, що діється всередині чорних дірок. Навіть сингулярність простору-часу прихована від зовнішнього спостерігача за горизонтом подій.

У 1974 році кембриджський учений Стівен Хокінг завдав цим уявленням відчутного удару, одержавши один чудовий результат. Хокінг прийшов до висновку, що чорна дірка випромінює! Чорній дірці будь-якого типу — обертається вона чи не обертається — можна приписати "температуру", а якщо дірка оточена областю з більш низькою температурою, то вона буде випромінювати енергію — виявляється, існує процес, що призводить до перетворення маси чорної дірки на випромінювання. Це відкриття дуже інтригує — адже якби можна було використовувати енергію чорних дірок, то людство забуло б про свої енергетичні проблеми.

Чорні дірки зливаються. Учені зробили відкриття, суть якого полягає в тому, що в одній галактиці фактично можуть співіснувати дві надмасивні чорні дірки, які, врешті-решт, обов'язково зіллються в одну. Ця подія, на думку дослідників, супроводжуватиметься такими викидами енергії, що зорі буде витіснено із центру галактики, де бушуватиме радіоактивне й гравітаційне цунамі.

Ученим давно відомо, що в галактиці NGC 6240 існують дві яскраві плями, що звуться ядрами. Оскільки пил закриває від огляду центр галактики, учені спрямували в той бік телескоп Чандра, сподіваючись з'ясувати, чи є хоч одне із цих ядер активною надмасивною чорною діркою. Яким же було їхнє здивування, коли вони зрозуміли, що обидва об'єкти є активними чорними дірками.

Ця галактика знаходиться від нас на відстані близько 400 світлових років — досить близько за космічними масштабами — й утворилася вона в результаті зіткнення двох галактик, яке почалося майже ЗО мільйонів років назад. Астрономи вважають, що злиття галактик, як правило, відбувається дуже мирно. Оскільки відстані між зірками надзвичайно великі, вони майже не "відчувають" того, що відбувається. Поки що центри галактик, що зіткнулися, зазнають лише легкої гравітаційної взаємодії. Але поступово відстань, що дорівнює у даний момент близько 3 тисяч світлових років, буде зменшуватися. І тоді галактики неодмінно почнуть взаємодіяти. Зорі, що обертаються навколо центрів, прискорять свій рух і залишать центр галактики. Коли відстань між чорними дірками зменшиться до одного світлового року, вони почнуть зливатися. Тоді газ, що обертається навколо чорних дірок, розігріється до таких температур, що почне випромінювати радіоактивні хвилі. Зрештою, поле радіоактивності знищить усі об'єкти, які знаходяться навколо ядер, що дасть можливість спостерігати за ядром. Жодна зоря не вціліє в полі впливу більш масивної чорної дірки після того, як вони зіллються.

Учені створили також комп'ютерну версію того, що відбувається в наш час у галактиці NGC362. До цього астрономам ніколи не вдавалося спостерігати подвійні чорні дірки. Це наштовхнуло їх на думку, що такого явища, як подвійна чорна дірка, взагалі не існує; що чорні дірки завжди зливаються в одну. Недавно вони одержали докази на підтвердження цього припущення: джети, які випромінюють чорні дірки в об'єкті, відомому під номером NGC362, змістилися. Це говорить про те, що чорні дірки в галактиках, що стикаються, "відчули" існування одна одної.

Учені встановили, що найбільш вірогідним джерелом виникнення чорних дірок є вибухи наднових. Уже досить давно виявлено, що в нашій Галактиці існує мандрівна чорна дірка, яка переміщується в супроводі своєї зірки-компаньйона. Об'єкт цей знаходиться за 6 тисяч світлових років від нас і рухається в нашому напрямку, але, найімовірніше, нам не загрожує. Цю чорну дірку було відкрито саме завдяки зорі, яка дає їй "живлення" і яка обертається навколо неї зі швидкістю один оберт за 2,6 дня. "Солодка парочка" рухається по нашій Галактиці в чотири рази швидше, ніж інші зірки, і поки що це єдина чорна дірка такого типу. Подвійний об'єкт рухається зі швидкістю 111 км за секунду відносно інших видимих об'єктів.

Астрономи вважають, що чорні дірки другого типу (першого — це надмасивні, що знаходяться в центрах галактик) — зоряні чорні дірки — виникають у момент вибуху наднової. Більша частина зорі уникає такої долі, але якщо залишилася досить велика маса матерії (скажімо, у 15 разів більша за каше Сонце), то вона зазнає колапсу й перетворюється на чорну дірку. Енергія вибуху спрямувала цю пару об'єктів у нескінченну мандрівку по Галактиці. Учені вважають, що цей вибух відбувся десь у центральній частині Галактики, хоч точно це встановити неможливо.

Чорна дірка може поглинути зірку. Подібне явище відбулося в галактиці RX J1242-1119А, у її центрі.

Ілюстрація — оптичне зображення даної галактики, де чорна дірка — яскрава пляма в центрі кільця.

Надмасивна центральна чорна дірка (подібні об'єкти спостерігаються в багатьох спіральних галактиках) розірвала припливними силами зорю, що пролітала надто близько біля неї. Деяку частину речовини зорі після цього захопила чорна дірка, що спричинило яскравий рентгенівський спалах. У рентгенівському діапазоні це явище спостерігали орбітальні обсерваторії Chandra (зображення) і XMM/Newton (рентгенівські спектри), для порівняння використовувалися архівні дані рентгенівської обсерваторії ROSAT. Оптичні спостереження проводилися на телескопах обсерваторії La Silva (ESO). Дане явище — розрив і захоплення зірки масивною чорною діркою — було передбачено більш як тридцять років тому, але спостерігається воно вперше. Енерговиділення можна порівняти з вибухом наднової, але спектр та еволюція потоку свідчать, що це був припливний розрив зорі, а не вибух звичайної наднової. За оцінками спеціалістів, чорна дірка захопила лише один відсоток маси зорі, уся інша маса розсіялася в просторі.

Спеціалісти ЕКА відзначають, що "віднині існують незаперечні докази феномену, який протягом тривалого часу існував лише в теорії".

Зображення — результат комп'ютерного моделювання процесу розриву зорі.