Чорні діри одні з найзагадковіших явищ у Всесвіті. Вони ламають уявлення про простір, час, матерію та навіть про саму суть фізичних законів. Попри десятиліття досліджень, людство досі знає лише частину правди. Що таке чорна діра з точки зору астрофізики? Як вона виникає, яку роль відіграє в еволюції Всесвіту? Розберемо по суті, без перебільшень і фантазій.
- 1 Що таке чорна діра з точки зору науки
- 2 Як виникають чорні діри?
- 3 Різновиди чорних дір
- 4 Мікроскопічні чорні діри та теорії їх існування
- 5 Як чорні діри впливають на простір і час?
- 6 Гравітаційні хвилі та відкриття сучасної науки
- 7 Чорні діри та майбутнє астрофізики
- 8 Чи становлять чорні діри небезпеку для Землі?
- 9 Чи можна подорожувати через чорні діри?
Що таке чорна діра з точки зору науки
Чорна діра – це область простору-часу з настільки великою масою і гравітаційним полем, що жодна частинка, навіть світло, не може залишити її межі. Цю межу називають горизонтом подій. Усе, що перетинає її, більше ніколи не може взаємодіяти з навколишнім Всесвітом. З математичної точки зору, чорна діра описується рішенням рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Вперше такі об’єкти передбачили ще в XIX столітті. Однак реальні докази їхнього існування з’явилися лише в ХХ столітті.
Важливо: чорна діра – це не «дірка» у звичайному сенсі слова. Це надзвичайно щільне тіло, в якому вся маса зосереджена в центральній точці сингулярності. Там щільність і викривлення простору-часу стають нескінченними.
Як виникають чорні діри?
Усе починається із зірок. Масивні зорі живуть швидко і гинуть яскраво. Коли у надрах такої зорі закінчується паливо, яке підтримувало термоядерні реакції, вона втрачає баланс. Гравітація починає перемагати, і ядро зорі стискається. У певний момент тиск стає настільки великим, що ніщо вже не здатне зупинити колапс. Так народжується чорна діра. Це може статися дуже швидко буквально за секунди. І якщо маса ядра перевищує критичне значення, то воно перетворюється на область простору, з якої вже не вибратись. Утворюється горизонт подій межа, за яку нічого не може повернутися. Зовні це виглядає як крапка повної темряви, але насправді всередині ховається об’єкт з такою густиною, що фізика просто зупиняється. Ми не знаємо, що там. Можливо, сингулярність точка нескінченної щільності, можливо, щось зовсім інше, що поки виходить за межі людського розуміння.
Різновиди чорних дір
Усі чорні діри не однакові. Найвідоміші зоряні, які виникають унаслідок загибелі масивних зірок. Їх маса зазвичай у кілька разів більша за сонячну. Вони невеликі, але надзвичайно щільні. Ще існують надмасивні чорні діри справжні монстри, які ховаються в центрах галактик. Їх маса може бути мільйони або навіть мільярди разів більшою за масу Сонця. Наприклад, у центрі нашого Молочного Шляху є чорна діра Стрілець A*, яка має масу близько чотирьох мільйонів сонць. Як вона там опинилась? Це велика та поки що не розв’язана загадка. Є гіпотеза, що вони формуються внаслідок злиття менших чорних дір або з первинних скупчень матерії після Великого вибуху. А ще є те, що вчені називають проміжними чорними дірами їх маса десь посередині, але даних про них у нас поки обмаль. Деякі вважають, що саме вони ключ до розгадки походження надмасивних чорних дір.
Мікроскопічні чорні діри та теорії їх існування
Уявити чорну діру розміром з протон складно, але така ідея існує в межах деяких теорій. Ці об’єкти, так звані первинні чорні діри, могли виникнути ще в перші миті після Великого вибуху. Там, де щільність матерії була надзвичайно високою, могли з’явитися крихітні чорні діри, які й досі існують у просторі. Ці мікроскопічні чорні діри можуть становити частину темної матерії загадкового компоненту Всесвіту, що не випромінює світла, але чинить гравітаційний вплив. Якщо їх існування буде підтверджено, це може перевернути все наше уявлення про космологію і навіть про будову простору-часу.
Як чорні діри впливають на простір і час?
У присутності чорної діри простір і час поводяться інакше. Теорія відносності Ейнштейна передбачає, що маса викривлює простір, і чим більша маса, тим сильніше викривлення. Чорна діра – це крайній випадок. Час поблизу горизонту подій тече повільніше, а гравітаційне поле настільки сильне, що навіть світло не може втекти. Це не просто гіпотеза – це експериментально підтверджене явище. Усі GPS-супутники мають враховувати викривлення часу в гравітаційному полі Землі, інакше їхні розрахунки були б неточні. А тепер уявімо, що буде біля чорної діри. Якби хтось міг зависнути на безпечній відстані від горизонту подій і провести там кілька хвилин, то на Землі за той час могли б минути роки. Це не сцена з фантастики, а реальний наслідок викривлення часу, яке відбувається у сильних гравітаційних полях.
Гравітаційні хвилі та відкриття сучасної науки
Тривалий час чорні діри залишались недоступними для спостережень. Але все змінилося після того, як у 2015 році детектори LIGO зафіксували гравітаційні хвилі. Це були «коливання» простору-часу, які прийшли від злиття двох чорних дір. Відкриття стало сенсацією. Воно підтвердило ще одне передбачення загальної теорії відносності, яку Ейнштейн створив понад сто років тому. І головне воно дало нам абсолютно новий спосіб дослідження Всесвіту. Гравітаційна астрономія дозволяє бачити речі, які раніше були недоступні. Ми почали фіксувати злиття чорних дір, яких навіть не видно у звичайному світлі. Це якби раптом з’явився новий орган чуття і виявилося, що ми жили у світі з зав’язаними очима.
Чорні діри та майбутнє астрофізики
Що далі? Усе більше телескопів і детекторів по всьому світу спрямовані на вивчення цих загадкових об’єктів. Нове покоління обсерваторій, таких як LISA (Laser Interferometer Space Antenna), планують запускати вже в найближчі роки. Вони працюватимуть у космосі, де немає шуму Землі, і зможуть фіксувати ще слабші гравітаційні хвилі. Крім того, фізики намагаються розв’язати інформаційний парадокс складне питання, що відбувається з інформацією, яка потрапляє всередину чорної діри. Якщо вона зникає назавжди – це порушує принципи квантової механіки. Але якщо не зникає, як саме вона зберігається? Тут стикаються дві фундаментальні теорії, і це може привести до нової фізики. Ідеї є різні від квантових гравітаційних ефектів до голографічного принципу, згідно з яким уся інформація, що потрапляє в чорну діру, може бути «записана» на її поверхні.
Чи становлять чорні діри небезпеку для Землі?
Це, мабуть, питання, яке виникає у кожного, хто вперше дізнається про чорні діри. І тут можна зітхнути з полегшенням. Найближча до нас зоряна чорна діра розташована на відстані понад тисячу світлових років. Навіть якби вона рухалась у наш бік це зайняло б мільйони років. До того ж, чорні діри не «поглинають» усе підряд, як це показують у фільмах. Вони діють як звичайні масивні тіла лише тоді, коли щось наближається занадто близько, настає межа неповернення. Уявімо, що Сонце раптово стало чорною дірою (що неможливо, бо воно не має достатньої маси) орбіти планет залишилися б незмінними. Просто стало б темно і холодно.
Чи можна подорожувати через чорні діри?
Це питання улюблене у фантастів. Теорії припускають, що всередині чорної діри може бути «мост» тунель у інший регіон простору або навіть в інший Всесвіт. Так звані кротовини – це гіпотетичні структури, які можуть поєднувати різні точки простору-часу. Проблема лише в тому, що ми не знаємо, чи можуть вони існувати стабільно. І навіть якщо так чи витримає хтось подорож через них? Наука поки не має відповіді, але сама ідея залишається захопливою. І кожне нове відкриття про чорні діри наближає нас до того, щоб з’ясувати можливо, одного дня, людство дійсно зможе «пройти крізь стіну» простору.
Читайте також:
Смішні анекдоти на сайті funster.top