Як працює чорна діра

Чорними дірами прийнято вважати області простору, в яких гравітація настільки сильна, що ні випромінювання, ні речовина не в змозі цю область покинути, так як для тіл, що знаходяться в полі тяжіння цих космічних об’єктів, власна швидкість утікання повинна перевищувати швидкість світла, що, в принципі, неможливо. Кордон області, із-за якої не може прорватися навіть світло, називають «горизонтом подій» чорної діри.

Американський фізик Джон Арчибальд Уїллер тільки в 1967 році запропонував цього космічного об’єкта, всі вбирного і нічого не випускає, назва «чорна діра». Раніше використовувалися такі позначення, як «коллапсар» або «застигла зірка».

Пошуком чорних дір вчені займаються вже багато десятиліть, але оскільки знайти чорну кішку в темній кімнаті» не так-то просто, доводиться орієнтуватися на звичайні зірки і інші космічні об’єкти, які взаємодіють з чорними дірами, – і по їх поведінці вимірювати параметри і відслідковувати вплив дірок на навколишній космічний простір. Вивчати ж ці об’єкти в лабораторних умовах неможливо, тому як для створення чорної діри тіло з масою в мільйони тонн необхідно стиснути до розмірів атома. Теоретичне вивчення, засноване на загальній теорії відносності Альберта Ейнштейна, знаходить численні підтвердження в цифрах і знімках орбітальних телескопів.

Розрахунки показують, що достатньою масою для перетворення в чорні діри мають лише зірки, чия маса перевищує три сонячних, тому для початку на них і зупинимося. Поки зірка молода та активна, вона володіє запасом ядерного палива. Термоядерні реакції перетворення водню в гелій, потім вуглець (і так далі) підтримують рівновагу зірки, оскільки виділяється при цьому тепло компенсує енергетичні втрати, які ми розуміємо як світло і зоряний вітер. Ці ж реакції підтримують високий тиск всередині зірки, не дозволяючи їй стискатися під дією власної гравітаційного поля. Однак проходить кілька мільярдів років, і в кінці зоряної еволюції ядерне паливо починає виснажуватися. В результаті її ядро і мантія переживають протилежні процеси: ядро починає стискатися, при цьому виділяючи велику кількість тепла, яке нагріває зовнішню оболонку. Зірка втрачає свої зовнішні шари, непомірно розширюються в вогняну туманність, що руйнує власну планетарну систему. Якщо ж мова йде про наднової – то оболонка зазвичай знищується вибухом. Отже, ядро масивної зірки стискається і йде під «горизонт подій», – і якщо б ми могли спостерігати за цими метаморфозами в телескоп, то спочатку побачили б, що зірка з збільшується швидкістю зменшується, а світло слабшає і червоніє, що можна пояснити втратою фотонами енергії по мірі наближення до поверхні гравітаційного радіуса, необхідністю долати збільшується силу тяжіння, внаслідок чого часткам потрібна все більша кількість часу, щоб дістатися до Землі (вірніше, було необхідно, адже процеси, які ми спостерігаємо, происходилицелую вічність тому). Далі ми побачили б, що стиск сповільнюється, і в той момент, коли воно зовсім зупиниться, візуальне спостереження нової чорної діри стає неможливим.

Але якщо б ми могли собі це дозволити, і зазирнути за «горизонт подій», то виявили б таку картину: за короткий проміжок часу речовина ядра стискається в точку, звану «сингулярністю». В ній досягаються нескінченно великі значення тяжіння і щільності. Англійський фізик Стівен Хокінг назвав сингулярність «місцем, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу». Первісна зірка могла бути влаштована як завгодно складно, однак новостворена чорна діра «забуває» всю інформацію про вихідної моделі: форму, хімічний склад, розподіл густини речовини та ін. Після стиснення спостерігач може визначити лише три основних параметра: електричний заряд, повну масу і момент імпульсу, присутній у разі, якщо зірка раніше оберталася. В останньому випадку навколо чорної діри зберігається гравітаційне поле «вихрового» принципу дії, яке захоплює сусідні космічні тіла в обертальний рух навколо неї. Це поле отримало ім’я математика Роя Керра, який знайшов рішення його розрахункових рівнянь в 1963 році.

Ефект поля Керра посилюється в міру наближення до горизонту чорної діри, – тобто біля неї існує певна зона космічного простору, з одного боку обмежена «горизонтом подій» дірки і веде до неминучої загибелі всіх об’єктів у надрах сингулярності, а з іншого боку – межею, за якою ці об’єкти не притягуються і залишаються нерухомими відносно далеких зірок. Ця межа називається «межею статичності». В радіусі дії поля Керра, або так званої «эргосфере», об’єкти можуть рухатися тільки по орбіті навколо нового центру тяжіння, причому в тому ж напрямі, в якому обертається сама діра. Потрапивши в ергосферу, кванти світла або, якщо вже на те пішло, літальний апарат все ще можуть вирватися назовні, несучи при цьому енергію обертання сверхсистемы, але стаціонарним космічних тіл залишається скромний доля: водити космічний «хоровод» навколо гіганта і стає його видобутком.

Слідуючи ейнштейнівської загальної теорії відносності, поблизу чорних дір під їх дією гравітаційного поля викривлює простір і час (тут буде доречно перетин або розбіжність паралельних прямих, уповільнення годин і всі інші нині доведені «легенди» вченого). Для того щоб уявити собі, як веде себе час біля чорної діри, порівняємо його з земним. Незважаючи на те, що наша планета – просто порошинка в порівнянні з чорними дірами, що земна гравітація впливає на хід часу на поверхні сильніше, ніж на орбіті – настільки, що GPS-навігатори спеціально вносять поправки на це розходження. Чого ж тоді чекати від об’єктів з таким жахливим тяжінням і масою, як у чорних дір? Тут напруженість гравітаційного поля настільки велика, що будь-які фізичні процеси можна описувати лише за допомогою релятивістської (відносної коливань нейтрона) теорії тяжіння. Одним словом, все це підводить нас до висновку, що чорна діра здатна спотворювати геометрію простору і часу навколо себе, і чим ближче – тим сильніше цей ефект, аж до того, що промені світла можуть рухатися по колу.

Але невже будь-яка зірка рано чи пізно починає руйнувати те, що створювалося з таким трудом під її світлом і теплом? Повторимось: це не так. За оцінками експертів, при помірній початкової маси зірки ядро може стискатися, перетворитися на маленький і дуже щільний білий карлик, або в ще більш щільну і зовсім крихітну нейтронну зірку, які потім збережуть стійкість: його стиснення буде зупинено тиском виродженого речовини, і «битва з гравітацією» буде виграна. Тому для тих, хто твердо має намір прожити ще п’ять-сім мільярдів років, це хороша новина. Правда, спостерігати за сонячним білим карликом доведеться з підземного бункера, так як випаровується мантія перед цим розшириться, поглине Меркурій і Венеру, заодно позбавивши землю води і практично повністю – атмосфери. Якщо ж маса зірки перевищує три маси Сонця, то вже ніщо не в силах зупинити її колапсу, – вона піде під горизонт подій і рано чи пізно стане новою чорною дірою. Згідно з розрахунками вчених, наша галактика існує дванадцять мільярдів років, і за цей час повинно було утворитися декілька десятків мільйонів чорних дір, основна маса яких імовірно знаходиться в ядрі Чумацького Шляху, де коллапсировали найбільш масивні давні зірки.