Космос

Чорні діри: все, що вам потрібно знати

admin

Чорні діри – одні із самих дивних і дивовижних об’єктів у космосі. Вони надзвичайно щільні, з таким сильним гравітаційним тяжінням, що навіть світло не може вирватися з їх хватки.

Чумацький Шлях може містити більш 100 мільйонів чорних дір, хоча виявити цих ненажерливих тварин дуже складно. У серце Чумацького Шляху знаходиться надмасивна чорна діра – Стрілець А *. Згідно заяві НАСА, колосальна структура приблизно в 4 мільйони разів перевищує масу Сонця і знаходиться приблизно в 26 000 світлових роках від Землі.

Відповіді на часті питання про чорних дірках від експерта

Ми поставили астрофізику-теоретику Приямваде Натараджану кілька поширених питань про чорні діри.

Як утворюються чорні діри?

Очікується, що чорні діри утворюються з двох різних каналах. Згідно першому шляху, вони є трупами зірок, тому вони утворюються, коли вмирають масивні зірки. Зірки, маса яких при народженні приблизно в 8-10 разів перевищує масу нашого Сонця, коли вони вичерпують все своє паливо – водень, – вибухають і вмирають, залишаючи після себе дуже компактний щільний об’єкт, чорну діру.

Залишилася в результаті чорна діра називається чорною дірою зоряної маси, і її маса близько декількох мас Сонця. Не всі зірки залишають після себе чорні діри, зірки з малою масою при народженні залишають після себе нейтронну зірку або білого карлика. Інший спосіб утворення чорних дірок – це прямий колапс газу, процес, який, як очікується, призведе до утворення більш масивних чорних дір з масою, в 1000 раз перевищує масу Сонця, і навіть в 100 000 разів перевищує масу Сонця. Цей канал обходить процес формування традиційної зірки і, як вважають, діє в ранній Всесвіту і породжує більш масивні зачатки чорних дір.

Хто відкрив чорні діри?

Чорні діри були передбачені як точне математичне рішення рівнянь Ейнштейна. Рівняння Ейнштейна описують форму простору навколо матерії.

Загальна теорія відносності пов’язує геометрію або обриси форми з детальним розподілом матерії. Рішення проблеми чорних дірок було знайдено Карлом Шварцшильдом в 1915 році, і було виявлено, що ці області – чорні діри – надзвичайно викривляють простір і створюють прокол в тканині простору-часу.

У той час було неясно, чи відповідають вони реальним об’єктам у Всесвіті. З часом, коли були виявлені інші кінцеві продукти зоряної смерті, а саме нейтронні зірки, видимі як пульсари, стало ясно, що чорні діри реальні і повинні існувати. Першою виявленої чорною дірою був Лебідь-X1.

Помирають чи чорні діри?

Чорні діри самі по собі не вмирають, але теоретично передбачено, що в кінцевому підсумку вони повільно випаровуються протягом надзвичайно тривалого часу. Чорні діри ростуть за рахунок скупчення матерії поблизу, яку притягує їх величезна гравітація.

Він передбачив, що чорні діри можуть випромінювати енергію і дуже повільно стискатися. Квантова теорія припускає, що існують віртуальні частинки, постійно з’являються і зникають. Коли це відбувається, з’являються частка і супутня їй античастинка.

Однак вони також можуть рекомбінувати і знову зникати. Коли цей процес відбувається поблизу горизонту подій чорної діри, можуть відбуватися дивні речі. Замість пари частинка-античастинка, існуючої мить, а потім анігилюючої один з одним, одна з них може потрапити під дією сили тяжіння в чорну діру, в той час як інша частинка може полетіти в космос.

У дуже тривалих часових масштабах, ми говоримо про тимчасових масштабах, які набагато перевищують вік нашого Всесвіту, теорія стверджує, що ця цівка вилітають частинок призведе до повільного випаровування чорної діри.

Є чорні діри червоточина?

Ні, чорні діри – це не червоточини. Червоточини можна розглядати як тунелі, що з’єднують дві окремі точки в просторі і часі.

Вважається, що всередині чорних дір може міститися червоточина, прокол в просторі-часу, який може відкрити портал в іншу точку простору-часу, потенційно навіть в іншу всесвіт.

Виявлена перша чорна діра

Альберт Ейнштейн вперше передбачив існування чорних дір у 1916 році з допомогою своєї загальної теорії відносності. Термін “чорна діра” був введений багато років тому, у 1967 році, американським астрономом Джоном Уілер. Після десятиліть, коли чорні діри були відомі тільки як теоретичні об’єкти.

Першою з коли-небудь виявлених чорних дір була Cygnus X-1, розташована в межах Чумацького Шляху в сузір’ї Лебедя. Астрономи побачили перші ознаки чорної діри в 1964 році, коли зондирующая ракета виявила небесні джерела рентгенівського випромінювання, згідно НАСА. У 1971 році астрономи визначили, що рентгенівські промені виходять від яскраво-блакитної зірки, що обертається навколо дивного темного об’єкта. Було висловлено припущення, що виявлені рентгенівські промені були результатом того, що зоряний матеріал був відірваний від яскравої зірки і “поглинений” темним об’єктом – всепоглинаючої чорною дірою.

Типи чорних дір

На даний момент астрономи визначили три типи чорних дір: зоряні чорні діри, надмасивні чорні діри і проміжні чорні діри.

Зоряні чорні діри – маленькі, але смертоносні

Коли зірка спалює залишки свого палива, об’єкт може зруйнуватися або провалитися всередину себе. Для зірок меншого розміру (маса яких приблизно в три рази більше маси Сонця) нове ядро стане нейтронної зіркою або білим карликом. Але коли велика зірка колапсує, вона продовжує стискатися і створює зоряну чорну діру.

Чорні діри, які утворилися в результаті колапсу окремих зірок, відносно малі, але неймовірно щільний. Один з таких об’єктів має масу, в три рази перевищує масу Сонця, і досягає діаметра міста. Це призводить до створення божевільного кількості гравітаційної сили, притягує об’єкти навколо об’єкта. Потім зоряні чорні діри поглинають пил і газ з оточуючих їх галактик, що сприяє їх зростанню в розмірах.

Надмасивні чорні діри – народження гігантів

Маленькі чорні діри населяють Всесвіт, але домінують їх побратими, що надмасивні чорні діри. Ці величезні чорні діри в мільйони чи навіть мільярди разів масивніше Сонця, але приблизно того ж розміру в діаметрі. Вважається, що такі чорні діри знаходяться в центрі практично кожної з галактик, включаючи Чумацький Шлях.

Вчені не впевнені, як виникають такі великі чорні діри. Як тільки ці гіганти сформувалися, вони збирають масу з пилу і газу навколо себе, матеріалу, якого в достатку в центрах галактик, дозволяючи їм вирости до ще більш величезних розмірів.

Надмасивні чорні діри можуть бути результатом злиття сотень або тисяч крихітних чорних дір. Причиною також можуть бути великі газові хмари, що стискаються разом і швидко нарощують масу. Третій варіант – це колапс зоряного скупчення, групи зірок, що падають всі разом. По-четверте, надмасивні чорні діри можуть виникати з великих скупчень темної матерії. Це речовина, яке ми можемо спостерігати завдяки його гравітаційному впливу на інші об’єкти; однак ми не знаємо, з чого складається темна матерія, тому що вона не випромінює світло і не може бути безпосередньо наблюдаема.

Проміжні чорні діри

Колись вчені думали, що чорні дірки бувають тільки малих і великих розмірів, але дослідження показали можливість існування чорних дір середнього розміру (IMBH). Такі тіла можуть утворюватись, коли зірки в скупченні стикаються в результаті ланцюгової реакції. Кілька таких чорних дір, що формуються в одному регіоні, в кінцевому підсумку можуть впасти разом в центрі галактики і створити надмасивну чорну діру.

У 2014 році астрономи виявили, що виявилося чорної дірою середньої маси в рукаві спіральної галактики. А в 2021 році астрономи скористалися стародавньої гамма-спалахом, щоб виявити одну з них.

“Астрономи дуже старанно шукали ці чорні діри середнього розміру”, – йдеться в заяві співавтора дослідження Тіма Робертса з Університету Дарема у Сполученому Королівстві. “Були натяки на те, що вони існують, але IMBH вели себе як давно втрачені родичі, які не зацікавлені в тому, щоб їх знайшли”.

Дослідження, проведені в 2018 році, показали, що ці IMBH можуть існувати в серці карликових галактик (або дуже маленьких галактик). Спостереження за 10 такими галактиками (п’ять з яких раніше були невідомі науці до цього останнього дослідження) виявили рентгенівську активність, звичайну для чорних дір, що дозволяє припустити наявність чорних дір масою від 36 000 до 316 000 сонячних мас. Інформація отримана з Sloan Digital Sky Survey, який досліджує близько 1 мільйона галактик і може виявити тип світла, часто спостережуваний виходить від чорних дір, які збирають довколишні уламки.

Бінарні чорні діри: подвійна проблема

У 2015 році астрономи за допомогою Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) виявили гравітаційні хвилі від злиття зоряних чорних дір.

“У нас є додаткове підтвердження існування чорних дір зоряної маси, які більше 20 мас Сонця – це об’єкти, про існування яких ми не знали до того, як LIGO їх виявила”, – сказав в заяві Девід Шумейкер, представник Наукового співробітництва LIGO (LSC). Спостереження LIGO також дають уявлення про напрямок обертання чорної діри. Оскільки дві чорні діри обертаються по спіралі один навколо одного, вони можуть обертатися в одному напрямі або в протилежних напрямках.

Існують дві теорії про те, як утворюються подвійні чорні діри. Перша припускає, що дві чорні діри в подвійній формі утворилися приблизно в один і той же час з двох зірок, які народилися разом і загинули в результаті вибуху приблизно в один і той же час. Зірки-компаньйони мали б однакову орієнтацію обертання один з одним, тому дві чорні діри, що залишилися позаду, також мали б таку ж орієнтацію обертання.

Відповідно до другої моделі, чорні діри в зоряному скупченні опускаються до центру скупчення й утворюють пари. Згідно LIGO Scientific Collaboration, ці супутники мали б випадкову орієнтацію спінів у порівнянні один з одним. Спостереження LIGO за чорними дірами-компаньйонами з різною орієнтацією спінів дають більш вагомі докази на користь цієї теорії освіти.

“Ми починаємо збирати реальну статистику за бінарним систем чорних дірок”, – сказав учений LIGO Кейта Кавабе з Каліфорнійського технологічного інституту, що працює в обсерваторії LIGO Хенфорд. “Це цікаво, тому що деякі моделі формування подвійних чорних дір дещо краще інших навіть зараз, і в майбутньому ми зможемо ще більше звузити коло пошуків”.

Факти про чорні діри

  • Теорія давно припускає, що якщо б ви впали в чорну діру, гравітація розтягла би вас, як спагетті, хоча ваша смерть настала б до того, як ви досягли сингулярності. Але дослідження 2012 року, опубліковане в журналі Nature, показало, що квантові ефекти призведуть до того, що горизонт подій буде діяти багато в чому як стіна вогню, яка миттєво спалить вас до смерті.
  • Чорні діри не засмоктують. Всмоктування викликано втягуванням чого-небудь у вакуум, яким масивна чорна діра точно не є. Замість цього об’єкти падають у них точно так само, як вони падають до всього, що відчуває гравітацію, наприклад, до Землі.
  • Першим об’єктом, який вважається чорною дірою, є Лебідь X-1. Cygnus X-1 був предметом дружньої парі 1974 року між Стівеном Хокінгом і його колегою-фізиком Кіпом Торном, причому Він уклав парі, що джерелом була не чорна діра. У 1990 році Хокінг визнав поразку.
  • Мініатюрні чорні діри, можливо, утворилися відразу після Великого вибуху. Швидко розширюється простір, можливо, стиснуло деякі області в крихітні щільні чорні діри, менш масивні, ніж Сонце.
  • Якщо зірка пройде дуже близько до чорної діри, зірку може розірвати на частини.
  • За оцінками астрономів, у Чумацькому Шляху налічується від 10 мільйонів до 1 мільярда зоряних чорних дір, маса яких приблизно в три рази перевищує масу Сонця.
  • Чорні діри залишаються чудовим матеріалом для науково-фантастичних книг і фільмів. Подивіться фільм “Интерстеллар”, в якому Торн багато в чому спирався на наукову складову. Робота Торна з командою зі спецефектів фільму призвела до кращого розуміння вченими того, як можуть виглядати далекі зірки, якщо дивитися поблизу швидко обертається чорної діри.