Для сучасних вчених чорна діра – це одне з найбільш загадкових явищ в нашому всесвіті. Вивчення таких об’єктів утруднено, не представляється можливим випробувати їх «досвідченим шляхом». Маса, щільність речовини чорної діри, процеси формування цього об’єкта, габарити – все це викликає у фахівців інтерес, а часом – подив. Розглянемо тему детальніше. Спочатку розберемо, що такий об’єкт собою являє.
Загальна інформація
Дивна особливість космічного об’єкта – це поєднання невеликого радіусу, високої щільності речовини чорної діри і неймовірно великий маси. Всі відомі в даний момент фізичні якості такого об’єкта здаються вченим дивними, часто незрозумілими. Навіть найдосвідченіші астрофізики все ще не перестають дивуватися особливостей таких явищ. Основна особливість, що дозволяє вченим ідентифікувати чорну діру, – горизонт подій, тобто межа, за якою назад вже нічого не повертається, включаючи світло. Якщо деяка зона назавжди відокремлена, кордон відділення позначають як горизонт подій. При тимчасовому відділенні фіксують наявність видимого горизонту. Іноді тимчасове – дуже широке поняття, тобто область, можливо, відділяється на термін, що перевищує поточний вік Всесвіту. Якщо спостерігається видимий горизонт, який існує тривалий час, складно відрізнити його від горизонту подій.
У чому властивості чорної діри, щільність речовини, формує її, обумовлені іншими фізичними якостями, що діють у нашому світі законами. Горизонт подій сферично-симетричної чорної діри – це сфера, чий діаметр обумовлений масою. Ніж більше маси загорнуте всередину, тим більша діра. І все ж вона залишається напрочуд маленькою на тлі зірок, оскільки гравітаційне тиск стискає все, що знаходиться всередині. Якщо уявити дірку, чия маса відповідає нашій планеті, то радіус такого об’єкта не перевищить декількох міліметрів, тобто буде в десять мільярдів менше земного. Радіус назвали ім’ям Шварцшильда – вченого, який вперше вивів чорні діри як рішення для загальної теорії відносності Ейнштейна.
А всередині?
Потрапивши у такий об’єкт, людина навряд чи помітить на собі величезну щільність. Властивості чорної діри вивчені недостатньо добре, щоб можна було з упевненістю говорити, що станеться, але вчені вважають, що при перетині горизонту нічого особливого виявити не вийде. Це пояснюється еквівалентним эйнштейновским принципом, що пояснює, чому формує кривизну горизонту поле і властиве площині прискорення не мають відмінностей для спостерігача. Відслідковуючи процес перетину здалеку, можна помітити, що об’єкт починає сповільнюватися поблизу горизонту, ніби час у цьому місці тече повільно. Через деякий час єкт перетне горизонт, потрапить в радіус Шварцшильда.
Тісно пов’язані між собою щільність матерії чорної діри, маса об’єкта, його габарити і приливні сили, поле гравітації. Ніж радіус більше, тим щільність менше. Радіус збільшується з вагою. Приливні сили знаходяться в обернено пропорційній залежності від ваги, зведеного в квадрат, тобто зі збільшенням габаритів і зменшенням щільності приливні сили об’єкта знижуються. Вдасться подолати горизонт раніше, ніж помітити цей факт, якщо маса об’єкта дуже велика. У перші дні загальної теорії відносності вважалося, що на горизонті існує сингулярність, але виявилося, що це не так.
Про щільності
Як показали дослідження, щільність чорної діри, в залежності від маси, може бути більше або менше. Для різних об’єктів цей показник варіюється, але завжди зменшується із збільшенням радіусу. Можуть з’явитися надмасивні діри, які формуються екстенсивним шляхом за рахунок накопичення матеріалу. У середньому щільність таких об’єктів, маса яких відповідає сумарній масі декількох мільярдів світил нашої системи, менше щільності води. Іноді вона порівнянна з рівнем щільності газу. Приливна сила цього об’єкта активізується вже після того, як спостерігач перетинає горизонт подій. Гіпотетичний дослідник не постраждає, підходячи до горизонту, і буде падати багато тисяч кілометрів, якщо знайде захист від дискової плазми. Якщо спостерігач не буде озиратися, він не помітить, що горизонт пересічений, а якщо поверне голову, ймовірно, побачить застиглі у горизонту світлові промені. Час для спостерігача буде протікати дуже повільно, він зможе відстежити події поблизу діри аж до моменту загибелі або її, або Всесвіту.
Щоб визначити щільність надмасивної чорної діри, потрібно знати її масу. Знаходять значення цієї величини і обсягу Шварцшильда, властивого космічного об’єкта. В середньому такий показник, як вважають астрофізики, виключно маленький. У значному відсотку випадків він менше рівня щільності повітря. Пояснюють явище наступним чином. Радіус Шварцшильда прямо співвідноситься з вагою, щільність знаходиться у зворотній залежності від обсягу, а значить, радіусу Шварцшильда. Обсяг знаходиться в прямій залежності від зведеного в куб радіусу. Маса збільшується лінійно. Відповідно, обсяг наростає швидше ваги, і середня щільність стає тим менше, чим більше радіус досліджуваного об’єкта.
Цікаво знати
Приливна сила, притаманна дірі, є градієнтом сили тяжіння, яка на горизонті досить велика, тому навіть фотони не можуть вилетіти звідси. При цьому збільшення параметра відбувається досить плавно, що і робить можливим подолання спостерігачем горизонту без ризику для себе.
Дослідження густини чорної діри в центрі об’єкта поки порівняно обмежені. Як встановлено астрофізиками, ніж центральна сингулярність ближче, тим рівень щільності вище. Зазначений раніше механізм розрахунку дозволяє отримати дуже усереднене уявлення про події.
Вчені мають виключно обмеженими уявленнями про те, що відбувається в дірі, її устрій. Як вважають астрофізики, розподіл густини в дірі не дуже значимо для стороннього спостерігача, принаймні на поточному рівні. Набагато інформативніше уточнення гравітації, ваги. Ніж маса більше, там сильніше розведені друг від друга центр, горизонт. Звучать і такі припущення: відразу за горизонтом матерія відсутня в принципі, її можна виявити лише в глибині об’єкта.
Відомі якісь цифри?
Про те, яка щільність чорної діри, вчені замислювалися давно. Проводились певні дослідження, були зроблені спроби розрахунку. Наведемо одну з них.
Сонячна маса становить 2*10^30 кг. Діра може сформуватися на місці об’єкта, який більше Сонця в кілька разів. Щільність самої легкої дірки оцінюється в середньому в 10^18 кг/м3. Це на порядок перевищує щільність ядра атома. Приблизно така ж відмінність від середнього плотностного рівня, властивого нейтронної зірки.
Можливо існування надлегких дірок, чиї габарити відповідають субъядерным часткам. Для таких об’єктів плотностный показник буде надзвичайно великим.
Якщо наша планета стане дірою, її щільність складе приблизно 2*10^30 кг/м3. Втім, ученим поки не вдалося виявити процеси, в результаті яких наш космічний дім може трансформуватися в чорну діру.
Про цифрах детальніше
Щільність чорної діри в центрі Чумацького шляху оцінюється в 1,1 млн кг/м3. Маса цього об’єкта становить 4 млн сонячної маси. Радіус дірки оцінений в 12 млн км. Зазначена щільність чорної діри в центрі Чумацького шляху дає уявлення про фізичні параметри надмасивних дірок.
Якщо вага деякого об’єкта становить 10^38 кг, тобто оцінюється приблизно в 100 млн Сонць, тоді щільність астрономічного об’єкта буде відповідати плотностному рівнем граніту, зустрічаються на нашій планеті.
Серед всіх відомих сучасним астрофізикам дірок одна з найважчих виявлена в квазарі OJ 287. Її вага відповідає 18 млрд світил нашої системи. Яка щільність чорної діри, вчені вирахували без особливого праці. Значення вийшло зникаюче малим. Воно становить лише 60 г/м3. Для порівняння: для атмосферного повітря нашої планети характерна щільність в 1,29 мг/м3.
Звідки беруться діри?
Вчені не тільки проводили дослідження, покликані визначити щільність чорної діри в порівнянні зі світилом нашої системи або іншими космічними тілами, але також намагалися визначити, звідки дірки беруться, які механізми формування подібних загадкових об’єктів. Зараз є уявлення про чотири шляхи появи дір. Найбільш зрозумілий варіант – колапс зірки. Коли вона стає великою, синтез в ядрі завершується, тиск зникає, речовина провалюється до центру гравітації, тому з’являється діра. По мірі наближення до центру щільність збільшується. Рано чи пізно показник стає настільки суттєвим, що зовнішні об’єкти не в силах подолати вплив гравітації. З цього моменту з’являється нова дірка. Подібний тип зустрічається частіше інших і названий дірками сонячної маси.
Ще один досить часто зустрічається варіант діри – надмасивна. Такі частіше спостерігаються в галактичних центрах. Маса об’єкта в порівнянні з описаною вище дірою сонячної маси більше в мільярди разів. Процеси прояви подібних об’єктів учені доки не встановили. Припускають, що спершу формується діра за описаним вище механізмом, потім поглинаються сусідні зірки, що призводить до зростання. Це можливо, якщо зона галактики густо населена. Поглинання речовини відбувається швидше, ніж це може пояснити наведена схема, і вчені поки не можуть передбачити, як саме протікає поглинання.
Припущення та ідеї
Дуже складна для астрофізиків тема – первинні діри. Такі, мабуть, з’являються з будь-якої маси. Вони можуть сформуватися у великих флуктуаціях. Ймовірно, поява таких дірок мало місце в ранній Всесвіту. Поки що дослідження, присвячені якостей, особливостей (включаючи щільність) чорних дір, процесів їх появи, не дозволяють визначити модель, точно відтворює процес появи первинної діри. Відомі в даний час моделі переважно такі, що якби вони були втілені в реальність, з’явилося б надмірно багато дірок.
Припускають, що Великий адронний колайдер може стати джерелом формування діри, маса якої відповідає бозону Хіггса. Відповідно, щільність чорної діри буде дуже великий. Якщо така теорія підтвердиться, її можна вважати непрямим доказом наявності додаткових вимірювань. В даний час це умоглядне висновок ще не отримало підтверджень.
Випромінювання діри
Випромінювання дірки пояснюється квантовими ефектами речовини. Простір динамічно, тому частинки тут зовсім не ті, до яких ми звикли. Поруч з діркою спотворюється не тільки час; розуміння частинки багато в чому залежить від того, хто спостерігає її. Якщо хтось падає в дірку, йому здається, ніби він занурюється у вакуум, а для віддаленого спостерігача вона виглядає наповненою частками зоною. Ефект пояснюється розтягуванням часу, простору. Випромінювання дірки вперше виявив Хокінг, чиє ім’я і дали явищу. Випромінювання властива температура, обернено залежить від маси. Ніж вага астрономічного об’єкта менше, тим температура (як і щільність чорної діри) вище. Якщо діра надмасивна або має масу, порівнянну з зіркою, притаманна її випромінювання температура буде нижче, ніж мікрохвильовий фон. З-за цього не представляється можливим її спостерігати.
Зазначене випромінювання пояснює втрату даних. Так називають термічний явище, якому притаманне одне чітке якість – температура. Відомостей про процеси формування дірки через вивчення не знайти, але об’єкт, що випускає таке випромінювання, одночасно втрачає масу (а значить, зростає щільність чорної діри), скорочується. Процес не визначається речовиною, з якого діра сформована, не залежить від того, що було затягнуто в неї пізніше. Вчені не можуть сказати, що стало базою діри. Більш того, як показали дослідження, випромінювання є необоротним процесом, тобто таким, якого в квантовій механіці просто не може існувати. Значить, випромінювання неможливо поєднати з квантовою теорією, і неузгодженість вимагає подальшої роботи в цьому напрямку. Поки вчені вважають, що Хокинговское випромінювання повинне містити інформацію, просто ми ще не має в своєму розпорядженні засобами, можливостями для її виявлення.
Цікаво: про нейтронні зірки
Якщо існує сверхгигант, це не означає, що таке астрономічне тіло вічно. З часом воно змінюється, відкидає зовнішні шари. Із залишків можуть з’явитися білі карлики. Другий варіант – нейтронні зірки. Конкретні процеси визначаються тим, яка ядерна маса первинного тіла. Якщо вона оцінюється в межах 1,4-3 сонячних, тоді руйнування надгіганта супроводжується дуже великим тиском, з-за якого електрони як би вдавлюються в протони. Це призводить до формування нейтронів, випромінювання нейтрино. У фізиці це назвали нейтронним виродженим газом. Його тиск таке, що зірка не може стискатися далі.
Втім, як показали дослідження, ймовірно, не всі нейтронні зірки з’явилися саме так. Деякі з них – залишки великих, вибухнули за принципом другий наднової.
Радіус тіла тим менше, чим більше маса. У більшості він варіюється в межах 10-100 км Проводилися дослідження для визначення щільності чорних дір, нейтронних зірок. Для других, як показали випробування, параметр порівняно близький до атомної. Конкретні цифри, встановлені астрофізиками: 10^10 г/см3.
Цікаво знати: теорія і практика
Нейтронні зірки були передбачені в теорії в 60-70-ті роки минулого століття. Першими виявили пульсари. Це маленькі зірки, швидкість обертання яких дуже велика, а магнітне поле справді грандіозно. Припускають, що ці параметри пульсар успадковує від вихідної зірки. Період обертання варіюється від мілісекунд до декількох секунд. Перші відомі пульсари випускали періодичне радіовипромінювання. Сьогодні відомі пульсари з випромінюванням рентгенівського спектру, гамма.
Описаний процес формування нейтронної зірки може продовжуватися – немає нічого такого, що в силах йому перешкодити. Якщо атомна маса більше трьох сонячних, точково тіло дуже компактно, його відносять до дірок. Не вдасться визначити властивості чорної діри при масі більше критичної. Якщо в силу хокинговского випромінювання загубиться частина маси, одночасно скоротиться радіус, тому значення ваги знову буде менше критичного для цього об’єкта.
Може діра померти?
Вчені висувають припущення про існування процесів, зумовлених участю частинки і античастки. Флуктуація елементів може стати причиною того, що порожній простір буде характеризуватися нульовим енергетичним рівнем, який (парадокс!) не буде дорівнює нулю. Одночасно горизонт подій, властивий тіла, отримає низькоенергетичний спектр, властивий абсолютного чорного тіла. Таке випромінювання стане причиною втрати маси. Горизонт злегка стиснеться. Припустимо, що є дві пари з частинки і її антагоніста. Відбувається анігіляція частинки з однієї пари та її антагоніста з іншого. Як наслідок, з’являються фотони, які вилітають з дірки. Друга пара предположенных частинок падає в дірку, одночасно поглинаючи деякий об’єм маси, енергії. Поступово це призводить до смерті чорної діри.
В якості висновку
Як вважають деякі, чорна діра – це своєрідний космічний пилосос. Діра може поглинути зірку, може навіть «з’їсти» галактику. У чому пояснення якостей діри, а також особливостей її формування можна знайти в теорії відносності. З неї відомо, що час безперервно, так само як і простір. Це пояснює, чому процеси стиснення неможливо зупинити, вони безмежні і нічим не обмежені.
Такі ці загадкові чорні діри, над якими вже не перше десятиліття ламають голову астрофізики.
