В останні десятиліття XX століття астрономи змогли виявити в безкрайніх просторах Всесвіту чимало дивовижних об'єктів. Це - і пульсари, і квазари, і нейтронні зірки. Але напевно, самим вражаючими і таємничими є чорні діри - області простору-часу, в яких гравітаційне поле настільки сильне, що жоден об'єкт (навіть випромінювання) не в змозі його покинути.
А з'явився термін «чорні діри» в 1968 р з легкої руки фізика з Америки Джона Уїлера. Нова назва швидко увійшло в науковий обіг і незабаром повністю замінило що використовувалися раніше терміни «коллапсар» і «застигла зірка».
Першим же ще в 1795 р гіпотезу про існування невидимих зірок висунув знаменитий математик, фізик і астроном з Франції П'єр Симон Лаплас (1749-1827), який, зокрема, створив теорію утворення планет Сонячної системи з розрідженій матерії.
Грунтуючись на законі всесвітнього тяжіння, відкритого Ісааком Ньютоном, Лаплас зробив висновки, що зірка, що має таку ж щільність, що і наша планета, а діаметр - в 250 разів більше сонячного, не дасть жодному світлового променя досягти Землі через свого тяжіння. Ймовірно, саме тому найяскравіші зірки виявляються невидимими.
Насправді, чим більше космічне тіло, тим більша швидкість необхідна для того, щоб це тіло покинути. Ця швидкість називається 2-й космічної, і для Землі вона дорівнює 11 км / сек. А ось на Сонце друга космічна швидкість вже 620 км / сек. При цьому друга космічна швидкість тим більше, чим більше маса і чим менше радіус небесного тіла, так як зі збільшенням маси тяжіння зростає, а з ростом відстані від центру воно слабшає.
Тому якби радіус Сонця став 10 км, а маса залишилася той-же, то 2-а космічна швидкість збільшилася б до половини швидкості світла, тобто до 150 000 км / сек. Якби радіус нашого світила продовжував зменшуватися, то при незмінній масі друга космічна швидкість досягла б 300 000 км / сек, або швидкості світла!
Здавалося б, гіпотеза Лапласа досить переконливо доводила існування у Всесвіті об'єктів, яких через потужну їх гравітації не можна побачити з Землі. Але за часів Лапласа ще не знали, що швидкості вище швидкості світла в природі просто не існує, тому і уявлення про чорні діри було неповне.
І тільки загальна теорія відносності, розроблена Ейнштейном, дала можливість надати більш сучасне розуміння чорних дірок.
Відповідно до законів Ньютона при стисненні тіла вдвічі його тяжіння зростає в чотири рази. Якщо ж тіло стиснути до такого стану, що його радіус зменшиться до нуля, то гравітація відповідно, зростає до нескінченності.
Але Ейнштейн довів, що гравітація буде рости швидше, і швидкість її зростання при подальшому стисненні буде збільшуватися. Тяжіння же прийме нескінченну величину при так званому гравітаційному радіусі небесного тіла. Інакше кажучи, хоча тіло і не перетвориться в точку, тобто воно буде мати певні розміри, проте його гравітація буде прагнути до нескінченності.
З усього вищесказаного випливає, що гравітаційний радіус безпосередньо залежить від маси небесного тіла. Наприклад, гравітаційний радіус Землі дорівнює 10 міліметрів, в той час як реальний - 6 400 км. Для Сонця цей радіус дорівнює 3 тис. Метрів, тоді як існуючий - 700 тис. Км.
Отже, будь-яке небесне тіло, зіщулена до гравітаційного радіуса, перестає бути джерелом випромінювання, тому як світло або будь-яке інше випромінювання не може його покинути через те, що 2-а космічна швидкість в цих умовах буде вище швидкості світла.
Ось тільки незрозуміло: яка сила здатна стиснути зірку до гравітаційного радіуса? На це питання астрофізики, особливо не замислюючись, відповідають: сама зірка! Справа в тому, що поки вона «живе», всередині неї протікають термоядерні реакції, які і створюють потоки випромінювання, що спрямовуються до поверхні газового кулі. Але кількість речовини, необхідного для реакцій (наприклад, водню), не безмежне, тому за якийсь час - від декількох десятків мільйонів до мільярдів років - воно вичерпується.
Після чого внутрішній тиск, яке підтримувало термоядерні реакції, зникає, і зірка почне стискатися під впливом власної гравітації. При цьому деякі зірки стискуються дуже швидко - катастрофічно. В результаті відбувається так званий гравітаційний колапс.
Довівши теоретично існування чорних дір, астрономи почали шукати способи, щоб побачити їх на власні очі. Ця робота почалася з пошуку джерел з рентгенівським випромінюванням, тому як воно з'являється лише при нагріванні навколишнього газу до надвисоких температур. Але щоб таке нагрівання відбулося, треба, щоб було дуже сильним поле тяжіння. А такі поля мають стиснуті зірки: білі карлики, нейтронні зірки і .... чорні діри! Але якщо білі карлики можливо спостерігати безпосередньо, то з чорними дірами проблема ускладнюється. Але астрономи змогли дозволити і це завдання.
З'ясувавши, що якщо тіло має масу, яка в два рази перевищує сонячну, то воно цілком може претендувати на роль чорної діри. Виміряти ж масу небесного об'єкта відносно легко, якщо воно має пару у вигляді іншого небесного тіла.
Зрештою таку подвійну систему, яка до того ж випромінює в рентгені, астрономи знайшли в сузір'ї Лебедя. Об'єкт назвали Лебідь Х-1, і він став першим кандидатом в чорні діри.
Розташований він на відстані 6 тис. Світлових років від нашої планети і складається з двох тіл: нормальної зірки-гіганта масою близько 20 Сонць і невидимого об'єкта масою 10 Сонць, який випромінює в рентгенівському діапазоні.
Однак якщо з чорної діри ніщо не зможе вирватися, то тоді як же вона може випромінювати? Виходить парадоксальна ситуація. Але, виявляється, випромінює не сама чорна діра, а тільки те речовина, яке на неї падає. Саме за його випромінювання і визначається наявність чорної діри.
Володіючи потужним тяжінням, чорна діра забирає у свого компаньйона частина речовини, яка спрямовується до неї по спіралі. І чим ця речовина ближче до чорної діри, тим сильніше воно розігрівається. Нарешті в якийсь момент воно починає випромінювати в рентгенівському діапазоні, що і фіксують земні спостерігачі.
Чорні діри, як і звичайні зірки, відрізняються великою різноманітністю, особливо за своїми розмірами. Тому астрономи ділять їх на три типи.
До першого з них відносять чорні діри, маса яких дорівнює приблизно 10-ти масам Сонця. Вони формуються з масивних зірок, коли в тих припиняються термоядерні реакції.
Другий тип представлений надмасивними чорними дірами в центрах галактик: їх маси - від мільйона до мільярдів сонячних. Вони, як правило, розташовані в центрах галактик - зоряних островів всесвіту.
Крім цього, космічні монстри мають неймовірним апетитом. Весь час збільшуючи свою масу, вони вже «з'їли» все навколишнє їх речовина, маса якого дорівнює мільйонам Сонць. Але тим не менш не перестають так-же активно «поглинати» найближче оточення, збільшуючи тим самим свої «габарити».
У постійне меню чорної діри входять: газ, пил, планети і зірки, але часом вони ласують навіть своїми найближчими родичами - компактними масивними об'єктами типу чорних дір зоряної маси. Чи не обділяють вони увагою і нейтронні зірки, і білих карликів, випадково опинилися в їх поле тяжіння. Саме ці об'єкти голосніше за всіх «кричать» в рентгенівському і гамма діапазонах, коли чорна діра поглинає їх.
І, врешті-решт, до третього типу відносяться первинні чорні діри, що з'явилися на початку еволюції Всесвіту. Їх можна вважати карликами серед чорних дірок, тому як їх маси можна порівняти з вагою великих астероїдів.
Відносно чорних дір тривалий час в наукових колах переважала думка, що ці, напевно, самі таємничі, об'єкти у Всесвіті нічим один від одного не відрізняються, тобто говорячи людською мовою, всі вони на одне обличчя.
Але дослідження, проведені на початку XXI століття вченими з Америки, це стале уявлення про чорні діри повністю спростували. З'ясувалося, вони майже так само унікальні, як люди. Більше того, їх можна не тільки розрізнити, але також з'ясувати їх довгу «біографію», тобто те, що відбувалося з ними в далекому минулому. Зрозуміло, тільки теоретично.
Такі цікаві дані про чорні діри отримала група американських астрофізиків, під керівництвом професора Саміра Матура. Ці дослідники змогли розробити нову теорію будови чорних дір, яка, на думку вчених, дасть можливість вирішити давню проблему фізики: так званий інформаційний парадокс.
Суть же цього парадоксу полягає в наступному. Відповідно до загальноприйнятої моделлю чорної діри, причому абсолютно неважливо, з чого вона була побудована і в якій пропорції - з протонів або електронів, з газу, планет або зірок, - колосальна гравітація перетворює весь цей матеріал в абсолютно однорідну структуру.
З цього в свою чергу слід було, що внутрішня структура всіх чорних дір практично однакова. Відрізняються ж вони один від одного тільки своїми гігантськими масами і діаметром горизонту подій, в межах якого вирватися з смерчу чорної діри ніщо вже не в змозі.
Раніше відповідно до розрахунків знаменитого фізика Стівена Хокінга, виходило, що опинилася в чорній дірі частка ніякого впливу на неї не робить. Єдине, що вона може зробити, - збільшити масу цього космічного монстра.
Але в цій теорії вчені знайшли один істотний недолік: вона суперечила одному з законів квантової механіки - закону оборотності, який свідчить, що теоретичні обчислення повинні пояснити не тільки процес, пов'язаний з утворенням чорної діри, а й повернутися до тих початкових умов, які цей механізм освіти «включили».
Це означало, що якщо прийняти за основу побудови Хокінга, з яких випливало, що всі чорні діри однакові, то навіть теоретично не можна було простежити «історію» хоча б однієї з них до її унікальному початку. Тобто будь-яка інформація про частки, які створили чорну діру, губилася в ній назавжди.
Саме в такому стані речей Матура одного разу засумнівався. І, для спростування цієї концепції, він скористався широко відомої в наш час теорією струн, яка передбачає, що всі фундаментальні частинки складаються з об'єктів, іменованих струнами.
Відповідно до існуючих теоретичних побудов струни можуть вести себе самим різним чином: вони можуть переплітатися, звиватися в кільця, формувати спіралі. Ми ж в нашому масштабі сприймаємо ці комбінації струн як частинки, що становлять світ.
Так ось, Матура спробував обчислити, як будуть вести себе струни, об'єднані в дуже масивний і протяжний об'єкт, свого роду гігантську «елементарну частинку». На вирішення цієї грандіозної завдання, у фізика пішло кілька років. При цьому працював він над нею не сам, а в групі з декількома вченими з різних країн.
В ході цього дослідження встановили, що струни можуть утворювати досить складну пружну і еластичну структуру гігантської довжини. При цьому, поступово збільшуючи масу речовини в своїй теоретичній структурі, Матура врешті-решт «створив» чорну діру. І що найцікавіше в моделі Матура, по діаметру теоретична «чорна діра» в точності відповідала діаметру горизонту подій для чорної діри тієї ж маси, але розрахованої за класичною моделлю.
Нову структуру чорної діри вчені назвали «Пухнастий клубок». При чому, як показали подальші розрахунки, в різних чорних дірах цей клубок може мати найрізноманітніші форми: як квіти на лузі або листя на дереві. Таким чином, професор Матура довів, що чорні діри не знеособлений, а в дійсності унікальні і неповторні. Звідси і дозвіл «інформаційного парадоксу», який, до речі, в 2 000 м під № 8 був включений в десятку основних проблем фізики третього тисячоліття.
Отже, в чорних дірах нічого не зникає безслідно, і в заплутаному переплетенні струн залишається інформація про частки, що породили цю загадкову структуру Всесвіту.
Дивний світ чорних дір
З'ясувавши, як з'являється цей космічний монстр, астрофізики намагаються також заглянути і всередину чорної діри. І деяку інформацію їм вдалося отримати. Звичайно ж, за допомогою теоретичних моделей.
Так, дослідникам вдалося з'ясувати, що чорна діра представляє з себе величезну круглу воронку, а також, що чорні діри випромінюють акустичні хвилі, що нагадують монотонне дзижчання.
Крім цього, в своїх моделях фізики спробували оцінити те, що відбувається всередині чорної діри очима людини, що опинилася в цій воронці. І перше, що зміг побачити б такий умовний людина, це величезна кількість зірок, що провалюються в цю безодню. Багато з них, стикаючись один з одним, трощили б і розпадалися на фрагменти.
Він зміг би також побачити, як з країв темної воронки з'являються відблиски світла, і над її схилом переливаються яскраві, іскристі фонтани. Цей, що оздоблюють воронку, диск називається аккреційним. Він обертається на величезній швидкості: близько 18 мільйонів км / год. Складається цей диск з газу і пилу, які, скочуючись по «спіралі смерті», падають в чорну діру.
Сама ж чорна діра походить на гігантську динамо-машину, навколо якої з'являється потужне магнітне поле. Коли напруга досягає певної критичної величини, чорна діра «розряджається». І тоді з неї, немов бризки з киплячого котла, вириваються струмені газу і пилу, звані джетами. Вони несуться вдалину майже зі швидкістю світла. При чому нерідко тягнуться на мільйон світлових років і палають, як сотні мільярдів сонць.
Отже, все, що рухається повільніше частинок світла, рано чи пізно пірне в темряву і назавжди зникне в ненаситної пащі чорних дір. І тільки промені світла будуть постійно і монотонно кружляти по краю диска, по одній і тій же лінії, нікуди не зміщуючись.
При зануренні всередину чорної діри під впливом зростаючої сили гравітації час починає текти все повільніше і повільніше.
Зате за межами чорної діри час летить, як ураган. А в самому серці космічного монстра час ніби вибухає. За частки секунди остигає Сонце, а небо покривається новими галактиками.
Час перетворюється в точку: настає так звана сингулярність, тобто стан, коли речовина має нескінченну щільність і температуру. Однак чим насправді є сингулярність в центрі чорної діри - ніхто сказати не може. Там повинні порушуватися закони фізики, а час і простір прагнуть до нуля. Час зупиняється.
Але це тільки результат математичних моделей.
Втім, ще в 1976 р Фрімен Дайсон зробив припущення, що інформація з нашого Всесвіту може перетікати в інший всесвіт. Тунель, що веде туди, розверзається посеред чорної діри. Ідея ця здалася самому Дайсон настільки ненаукової, що він не став публікувати її. Але пізньої до тієї ж думки прийшли Стівен Хокінг і американський космолог Лі Смолін.