Чорна дiра - що це?
Чорна діра — це астрономічний об’єкт із настільки сильним гравітаційним тяжінням, що ніщо, навіть світло, не може уникнути його. «Поверхня» чорної діри, яка називається її горизонтом подій, визначає межу, де швидкість, необхідна для виходу, перевищує швидкість світла, яка є межею швидкості в космосі. Матерія і радіація потрапляють туди, але не можуть вийти.
Два основних класи чорних дір широко спостерігалися вченими, Чорні діри зоряної маси, маса яких у три-десятки разів перевищує масу Сонця, поширені по всій нашій галактиці Чумацький Шлях, тоді як надмасивні монстри вагою від 100 000 до мільярдів сонячних мас знаходяться в центрах більшості великих галактик, у тому числі нашої.
Моделювання гарячого газу, що оточує чорну діру та падає в неї.
(Авторство зображення: Центр космічних польотів імені Годдарда НАСА/Дж. Шнітман, Дж. Кролік (JHU) і С. Нобл (RIT))
Чорні діри
Найпростіше визначення чорної діри – це об’єкт, який настільки щільний, що навіть світло не може вийти з його поверхні. Але як це відбувається?
Концепцію чорної діри можна зрозуміти, подумавши про те, з якою швидкістю щось має рухатися, щоб уникнути гравітації іншого об’єкта – це називається швидкістю відходу. Формально "швидкість втечі"- це швидкість, якої повинен досягти об'єкт, щоб «вирватися» з-під гравітаційного тяжіння іншого тіла.
Є дві речі, які впливають на "швидкість втечі" – маса об’єкта та відстань до центру цього об’єкта. Наприклад, ракета повинна розганятися до 11,2 км/с, щоб уникнути земного тяжіння. Якби натомість ця ракета була на планеті з такою ж масою, як Земля, але вдвічі меншою за діаметр, швидкість відльоту становила б 15,8 км/с. Незважаючи на те, що маса однакова, швидкість втечі більша, оскільки об’єкт менший (і щільніший).
Що, якби ми зробили розмір об’єкта ще меншим? Якщо ми стиснемо масу Землі в кулю радіусом 9 мм, "швидкість втечі" дорівнюватиме швидкості світла. Трохи менше, а швидкість втечі більша за швидкість світла. Але швидкість світла — це космічна межа швидкості, тому було б неможливо втекти від цієї крихітної кулі, якщо підійти досить близько.
Радіус, при якому маса має швидкість вильоту, що дорівнює швидкості світла, називається радіусом Шварцшильда. Будь-який об’єкт, менший за радіус Шварцшильда, є чорною дірою – іншими словами, будь-який об’єкт, швидкість якого перевищує швидкість світла, є чорною дірою. Для чогось масу нашого сонця потрібно було б втиснути в об’єм радіусом близько 3 км.
Структура чорної діри
Є дві основні частини чорної діри: сингулярність і горизонт подій.
Горизонт подій - це "точка неповернення" навколо чорної діри. Це не фізична поверхня, а сфера, що оточує чорну діру, яка позначає місце, де "швидкість втечі" дорівнює швидкості світла. Його радіус Гварцшильда, згаданий раніше.
Про горизонт подій: як тільки матерія опиниться всередині нього, ця матерія впаде в центр. З такою сильною гравітацією матерія стиснеться в одну точку – маленький, крихітний об’єм шалено-великої щільності. Ця точка називається сингулярністю. Вона дуже маленька, тому має по суті нескінченну щільність. Цілком ймовірно, що закони фізики порушуються на сингулярності. Вчені активно займаються дослідженнями, щоб краще зрозуміти, що відбувається в цих сингулярностях, а також як розробити повну теорію, яка краще описує те, що відбувається в центрі чорної діри.
Як побачити невидиме?
Чорна діра складається з двох основних частин. Сингулярність знаходиться в центрі, де знаходиться маса. Горизонт подій - це межа, яка позначає, де швидкість виходу з маси дорівнює швидкості світла.
(Авторство зображення: Imagine the Universe NASA)
Якщо світло не може вийти з чорної діри, як ми можемо побачити чорні діри?
Астрономи не бачать безпосередньо чорні діри. Натомість астрономи спостерігають наявність чорної діри за її впливом на навколишнє середовище. Чорну діру, саму по собі в центрі нашої галактики, було б дуже важко виявити.
Уявіть, що одного вечора ви прийшли додому та виявили безлад на кухні. Ви знаєте, що там було чисто, коли ви пішли, але тепер у раковині брудний посуд, а на прилавку розкидані крихти. Зі свідчень ви знаєте, що хтось скористався кухнею, поки вас не було, насправді, ви навіть можете сказати, що вони приготували бутерброд чи чіпси через крихти, які ви бачите на прилавку. Можливо, ви навіть зможете визначити, хто з вашої сім’ї був на кухні, виходячи з того, які чіпси вони їли або що вони клали на свій бутерброд.
Ви ніколи не бачили цю людину на кухні, але її вплив на кухню був очевидним.
Вивчення чорних дір значною мірою покладається на непряме виявлення. Астрономи не можуть безпосередньо спостерігати за чорними дірами, але бачать поведінку інших об’єктів, яку можна пояснити лише наявністю дуже великого та щільного об’єкта поблизу. Ефекти можуть включати затягування матеріалів у чорну діру, формування акреційних дисків навколо чорної діри або обертання зірок навколо масивного, але невидимого об’єкта.
Види чорних дір
Традиційно астрономи говорять про два основних класи чорних дір: ті, маса яких у 5-20 разів перевищує масу Сонця, які називаються чорними дірами зоряної маси, і ті, маса яких у мільйони до мільярдів разів перевищує масу Сонця, тобто називають надмасивними чорними дірами. Щодо розриву між зоряною масою та надмасивними чорними дірами? Довгий час астрономи пропонували третій клас, який називають чорними дірами проміжної маси, але лише в останнє десятиліття або близько того, вони почали знаходити можливі докази цього класу чорних дір.
Чорні діри зоряної маси утворюються, коли у масивної зірки закінчується паливо і вона руйнується. Вони розкидані по всій галактиці, у тих самих місцях, де ми знаходимо зірки, оскільки вони почали своє життя як зірки. Деякі чорні діри зоряної маси почали своє життя як частина подвійної зоряної системи, і те, як чорна діра впливає на свого супутника та їхнє оточення, може бути підказкою для астрономів щодо їх присутності.
Надмасивні чорні діри знаходяться в центрі майже кожної великої галактики. Як саме утворюються надмасивні чорні діри, астрономи активно ведуть дослідження. Нещодавні дослідження показали, що розмір чорної діри корелює з розміром галактики, тому має бути певний зв’язок між утворенням чорної діри та галактикою.
Маючи лише кілька потенційних проміжних чорних дір, астрономи тільки починають їх детально вивчати. Ці дослідження ускладнюються тим фактом, що багато об’єктів, які спочатку виглядали як сильні проміжні кандидати в чорні діри, можна пояснити іншими способами. Наприклад, існує клас об’єктів, які називаються джерелами ультрасвітового рентгенівського випромінювання (ULX). Ці об’єкти випромінюють більше рентгенівського світла, ніж відомі зоряні процеси. Одна модель показала, що ULX містять проміжну чорну діру; однак подальше вивчення цих об’єктів віддало перевагу альтернативним моделям для більшості з них.
Це зображення, зроблене за допомогою Дуже Великого Телескопа Європейської Південної Обсерваторії, показує центральну область галактики NGC 1313. Ця галактика є домом для надсвітлового джерела рентгенівського випромінювання NCG 1313 X-1, яке було кандидатом на чорну діру середньої маси.
(Авторство зображення: ESO)
10 речей, які потрібно знати про чорну діру
1
Занадто масивна
Чорна діра – це область у космосі, де гравітаційне тяжіння настільки сильне, що ніщо, навіть світло, не може вийти з неї.
4
квиток в один кінець
Горизонт подій - це точка неповернення навколо чорної діри. Щойно щось перетинає горизонт подій, воно неминуче втягується в сингулярність чорної діри.
7
Летiти та летiти
Найближчою відомою чорною дірою до Землі є V616 Monocerotis, яка знаходиться на відстані приблизно 3000 світлових років від нас.
2
Доведено теорією відносності
3
Перед вибухом
Існування чорних дір було вперше передбачено загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна.
Чорні діри утворюються внаслідок колапсу масивних зірок.
Там де є порушення
5
6
Різні розміри
Сингулярність — це точка нескінченної щільності в центрі чорної діри, де порушуються закони фізики, як ми їх знаємо.
Розміри чорних дір варіюються від відносно невеликих зіркових чорних дір до надмасивних чорних дір, маса яких у мільярди разів перевищує масу Сонця.
8
Перше підтвердження!
Перше підтверджене виявлення чорної діри було оголошено в 1971 році, хоча існування чорних дір теоретизували десятиліттями до цього.
10
Прорив у майбутнє!
9
Не чорна
Чорні діри насправді не є «чорними» в традиційному розумінні; вони випромінюють випромінювання, відоме як "випромінювання Хокінга".
Дослідження чорних дір призвело до деяких з найбільш значних проривів у сучасній фізиці, включаючи відкриття "Бозона Хіггса" та розвиток "Теорії струн".