У 1783 році Д. Мічел розрахував, що якщо зірку типу Сонця стиснути до радіусу в 3 км, то ніщо, і навіть світло, не зможуть її покинути - настільки сильно буде її гравітація. Так з'явилося поняття - чорна діра. Однак сам термін був сформульований Д. Уілер тільки в 1967 році. Реальність існування таких об'єктів залежить від правильності теорії гравітації, яка спирається на загальну теорію відносності. Але сама ОТО експериментально не підтверджена для умов надмасивних чорних дір.
Що таке чорна діра
Після виснаження запасів ядерного палива термоядерні реакції затухають, і зірка починає відчувати стиснення. Найсильніше стискається ядро, розігріваючи при цьому саме і розігріваючи навколишню оболонку. Через це відбувається втрата верхніх шарів зірки. Вони або відносно повільно розширюються, як планетарна туманність. або дуже швидко скидаються у вигляді вибуху наднової. Подальшу долю ядра вирішує маса зірки. Якщо вона не більше трьох сонячних, то вироджені речовина зупинить стиснення, перетворивши звичайну зірку в нейтронну або в білий карлик. При більш масивному ядрі катастрофічного колапсу не уникнути, і ядро стиснеться настільки сильно, стане чорною дірою. Якщо наше світило коли-небудь стане таким тілом, то радіус його складе 8,8 км.
Горизонтом подій є межа області, з якої не можуть вирватися об'єкти навіть зі світловими швидкостями. А розмір цієї області отримав назву: гравітаційний радіус.
Виявлення чорних дір
Виявити чорну діру можливо, якщо вона входила до складу подвійної системи. де дві гарячі зірки зверталися навколо центру мас. У цьому випадку на решту зірку надаватиметься вплив. У такій системі речовина з зірки буде перетікати в чорну діру (чорна діра буквально буде «пожирати» зірку).
Речовина закрутиться в спіраль, а в воронці діри відбудеться ущільнення і його розігрів. Нагрівання триватиме до виникнення хвильового випромінювання в рентгенівському діапазоні. За характером цього випромінювання можна зрозуміти, який об'єкт спостерігається. Також, чорна діра, пролітаючи біля зірки, відхиляє її зі звичайною траєкторії своєї колосальної гравітацією, тим самим виявляючи себе. Чорні діри, що не мають напарника-зірку, також існують в теоретичних розрахунках.
Cверхмассівние чорні діри
Всі галактики, і наша теж, мають в своєму центрі чорні діри неймовірних мас. Такі висновки зроблені на підставі спостережень руху міжзоряного газу і близьких зірок. Зірки і газ в своєму обертальному русі відчувають вплив масивних тіл. Розрахунки показують, що такі об'єкти повинні мати величезні маси при невеликих розмірах. Тільки чорній дірі під силу так закручувати речовина. Виходить, що центр будь-якої галактики і є чорна діра. І маси їх - мільйони і мільярди мас Сонця. Всі спостережувані зоряні системи з властивостями чорних дір мають маси 4 - 16 сонячних. Виходячи з теорії еволюції, можна зробити висновок, що в нашій галактиці за 12 млрд. Років її життя повинні були утворитися десятки мільйонів цих суперплотних об'єктів. Астрономічні спостереження це підтверджують, але природа появи таких сверхгигантских чорних дір поки не ясна.
Великий вибух цілком міг сприяти появі цих об'єктів. тому що тоді щільність матерії була дуже високою. Але невеликі дірки напевно випарувалися, втрачаючи масу за допомогою випромінювань і потоків частинок. До наших часів могли дожити лише тіла, маси яких були понад 10 12 кг. Нинішній розмір таких об'єктів можна порівняти з протоном або нейтроном.
Теорія струн допускає народження чорних дір мікроскопічних розмірів від зіткнення двох частинок (наприклад, протонів). При ударі можливо їх сильне стиснення, достатню для появи мікродири. Але час життя її мізерно.
Чорні діри створюють неймовірні гравітаційні поля, тому простору і часу біля них залишатися в звичайному стані не вдається. Геометрія цих величин викривляється. Чим ближче до масивного об'єкту, тим більше помітно викривлення. У самій чорної діри світлові промені оминають її по колу.
За дуже короткий час речовина за горизонтом подій зіщулюються в точку - сингулярність. У ній щільність і тяжіння приймають нескінченні значення. Але все це вірно для звичайного, макросвіту. Мікросвіт ще не має своєї квантової теорії гравітації. Розглянемо деякий властивості чорних дір, що випливають з положень ОТО.
- Час біля чорних дір протікає повільніше, ніж далеко від них. Якщо спостерігати за предметом, кинутим в цей об'єкт, то рух предмета буде сповільнюватися, а видимість його послаблюватися. В кінці він зупиниться і стане невидимим. Але якщо спостерігач сам стрибне туди, то миттєво впаде в центр діри, а гравітаційні сили розірвуть його моментально.
- Цікава властивість - після подолання горизонту подій: чим сильніше ви будете чинити опір гравітації чорної діри і прагнути полетіти подалі, тим швидше ви впадете в неї. Важко собі таке уявити, погодьтеся ...
- Неважливо, яку конфігурацію мало тіло до стиснення, але після цього процесу можна досліджувати лише три його параметра. Це електричний заряд, повна маса і момент імпульсу. Інші характеристики тіла будуть стерті. Неможливо встановити вихідні параметри чорної діри - її форму, склад речовини (або антиречовини).
- Чорна діра зберігає гравітаційне вихровий поле, якщо вихідний об'єкт обертався. Будь-яке тіло, що обертається - і Земля теж - володіє таким ефектом. Вихровий поле посилюється з наближенням до горизонту чорної діри. Перед самим горизонтом знаходиться поверхню - межа статичності. Тут все рухається по орбіті в напрямку обертання діри. Між межею статичності і горизонтом знаходиться ергосфера. Тільки з цієї області можливий вихід частинок в простір, що забирають енергію обертання.
- Все, що потрапляє за горизонт подій, обов'язково падає до центру. де знаходиться сингулярність. має нескінченну щільність. Це місце, де вже не працюють закони фізики і класичні концепції простору і часу.
- С. Хоккінг зумів відкрити випаровування чорних дір. Це справедливо для дірок невеликої маси. Потужна гравітація близько діри народжує пари частинок і античастинок. Один з учасників пари втягується дірою, а інший викидається назовні. Виходить, що чорна діра, що має масу 10 12 кг, матиме властивості тіла з температурою 10 11 До, яке випромінює жорсткі частинки і гамма-кванти.
Методи вимірювання надмасивних об'єктів
Основні способи визначення мас і розмірів таких тел грунтуються на вивченні і вимірі параметрів орбіт об'єктів, що обертаються навколо них.
- Пряме вимірювання радиоисточника. Таке джерело, що знаходиться біля горизонту подій чорної діри, буде схожий на змащене пляма, яке посилено гравітаційної лінзою.
- Відношення маси і світності. Надмасивні діри можна відшукати, досліджуючи розподіл яскравості і швидкість руху зірок по відношенню до відстані до галактичного центру. Наявність в центрі галактики надмасивної об'єкта може підтвердити високе відношення маси до світності. Але цей метод має нюанс: всі необхідні ознаки можуть вказувати і на скупчення карликів (білих і коричневих), нейтронних зірок або чорних дір звичайних мас.
- Визначення швидкості обертання газу. Сучасні прилади дозволяють спостерігати окремі об'єкти поблизу галактичних центрів і вимірювати швидкості їх руху. Зокрема, на космічному телескопі "Хаббл" встановлено спектрограф FOS, за допомогою якого була визначена обертається структура газів в центральній частині галактики М87.
- Виміряна швидкість мікрохвильових джерел. Інтерферометр з мережею радіотелескопів дозволяє спостерігати галактичний центр з кутовим дозволом 0 ", 001. У невеликій дископодібної структурі, яка має радіус 10 св. років, знайшлися 17 невеликих джерел. За характером їх обертання, маса центрального об'єкта була визначена як 4. 10 7 сонячних при верхній межі радіусу ядра в 0,04 св. року.
- Спостереження за траєкторіями зірок. Проведення спостережень в інфрачервоних променях має хорошу ефективність. Це дає можливість вимірювати точні параметри руху зірок, які дозволяють визначити характеристики тіла, що знаходиться в центрі галактики. Результатом спостереження окремих зірок в центральній частині нашої галактики стало визначення їх віку. З цього випливає, що поблизу надмасивних чорних дір йде процес активного зореутворення. З даних, отриманих цим методом, слід, що в центрі Чумацького Шляху знаходиться об'єкт масою 4 · 10 6 сонячних, а радіус його 0,08 а.о. І це майже напевно чорна діра.
зникнення інформації
Це дуже цікава проблема. Класична теорія гравітації передбачає, що чорну діру неможливо ні зменшити, ні знищити. Вона може тільки збільшуватися. З цього випливає, що інформація, що потрапила всередину монстра, не зникає. Вона залишається в цілості, але недоступна для зовнішнього спостерігача. Можна припустити, що чорна діра - віконце в паралельний всесвіт. Тоді зникла інформація цілком може знайтися там. Однак ці припущення не ув'язуються з сучасної квантової теорії, з якої випливає, що діри випаровуються.
Випаровування чорних дір
Гіпотетичне випаровування, або випускання фотонів, носить назву: випромінювання Хокінга. Такі процеси мають чисто теоретичні обгрунтування. Виходячи з них, діри, що утворилися при народженні Всесвіту і мають маси 10 12 кг, до нашого часу повинні повністю випаруватися. Оскільки інтенсивність випаровування зростає зі зменшенням розміру діри, то процес повинен закінчитися вибухом. Поки такі випадки не відомі.
Зіткнення чорних дір
Якщо дві чорні діри зіштовхнуться, то має відбутися їх злиття. Ця подія буде супроводжуватися випромінюванням хвиль гравітації. За величиною така енергія складе кілька відсотків від сумарної маси дірок. Поки відстеження таких зіткнень утруднено. Вони відбуваються дуже далеко від Землі, і приходить сигнал досить слабкий. Однак такі явища повинні бути самими інтенсивними випромінювачами гравітаційних хвиль (існування яких поки експериментально не доведено).
Ніхто не знає напевно, що ми побачимо, наблизившись до чорної діри. Але цілком можливо, що вона не така і чорна. Речовина, що летить на її поверхню, розганяється і розігрівається, і, перед тим, як пірнути за горизонт подій, має світитися. Тому перед нами буде не цілий темний виріз в просторі, а сяючий ореол, схожий на сонце в момент його повного затемнення.