«Різнобарвні» чорні діри

 https://universemagazine.com/wp-content/uploads/2018/10/zaglushka-e1538748301621.png
Володимир Манько
Журналіст

Словосполучення «чорна діра» вже давно та міцно увійшло в наш побут, хоча в широкому вжитку воно застосовується трохи більше ніж півстоліття — так назвав це явище американський фізик Джон Вілер (John Archibald Wheeler) у своїх науково-популярних лекціях, хоча насправді авторство цього терміна йому не належить.

Першим думку про існування настільки масивного тіла, що з його «гравітаційних обіймів» не може вирватися навіть світло, висловив у кінці XVIII століття англійський священник Джон Мічелл (John Michell), якого також вважають одним із основоположників сучасної геології та сейсмології. «Розрахункову базу» під його міркування підвів французький математик П’єр-Сімон Лаплас (Pierre-Simon Laplace). Але після того, як століттям пізніше вчені дійшли висновку про хвильову природу світла, ці уявлення на певний час були забуті. «Врятував» їх Альберт Ейнштейн із його теорією відносності. Розв’язуючи складені ним рівняння, німецький астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) незадовго до своєї смерті отримав величину радіуса сфери, до якої має бути «втиснена» певна маса, щоб друга космічна швидкість для отриманого тіла перевищила швидкість світла. Деякий час для позначення таких об’єктів використовувався термін «невидимі зірки».

Не всі вчені спочатку погодилися з розрахунками Шварцшильда, але поступово поняття «чорна діра» зайняло своє місце в наших уявленнях про Всесвіт, хоча до початку нинішнього століття багато хто висловлював сумніви в існуванні таких об’єктів. Крапку в дискусії щодо їхньої реальності поставили спостереження космічного телескопа Hubble і великих радіотелескопів, збудованих упродовж останніх 30 років. Вони дозволили виміряти променеві швидкості зірок у безпосередній близькості від галактичних центрів і переконатися в тому, що ці зірки обертаються навколо надзвичайно масивного і дуже компактного тіла, яке саме по собі абсолютно нічого не випромінює. З досягнень у цьому напрямі варто згадати отримання зображення «тіні» чорної діри в галактиці M87, а також реєстрацію гравітаційних хвиль, утворених під час зіткнень подібних об’єктів, спеціалізованими обсерваторіями LIGO та Virgo.

Чорні діри
Теоретично чорні діри можуть характеризуватися, крім маси, швидкістю обертання та електричним зарядом, але виміряти ці параметри з допомогою сучасних інструментів дуже важко.

Зараз ученим відомо про існування десятків тисяч чорних дір, і ще більше вони планують відкрити найближчим часом за допомогою спеціалізованих орбітальних обсерваторій. На відміну від зірок, які відрізняються одна від одної великою кількістю характеристик, фактично єдиним параметром, що дозволяє розрізнити чорні діри, є їхня маса (і безпосередньо пов’язаний із нею розмір). Вона й стала основою для класифікації, наведеної нижче.

Чорні діри зоряних мас

Найпоширеніший і найкраще вивчений тип чорних дір утворюється під час гравітаційного колапсу масивних зірок, у надрах яких повністю завершилися реакції термоядерного синтезу — тоді починається їх дуже швидке стиснення під дією власної сили тяжіння, що супроводжується виділенням величезної кількості енергії. З Землі такі події спостерігаються як спалахи наднових.

Зірка SBW2007 в туманності Киля приблизно у 20 разів важча за Сонце. Вона вже почала скидати свої зовнішні оболонки, готуючись до вибуху, в результаті якого, ймовірно, утвориться чорна діра зоряної маси

Об’єкти з масою менше 20 сонячних у результаті колапсу перетворюються на нейтронні зірки, більш важкі — на чорні діри. Якщо колапс переживає один із компонентів подвійної системи, в ній може початися процес акреції — «перетікання» речовини з другого компонента. Наближаючись до шварцшильдівського радіуса, ця речовина розганяється майже до швидкості світла й закручується в так званий акреційний диск, що розігрівається до надвисоких температур і починає випромінювати в широкому спектральному діапазоні (від рентгенівських променів до радіохвиль). Реєстрація такого випромінювання є основним способом пошуку чорних дір у межах нашого Чумацького Шляху.

Надмасивні (супермасивні) чорні діри

У процесі еволюції Всесвіту матерія в ньому збиралась у дедалі більш масштабні структури. Після вибухів первісних зірок, що були здебільшого набагато масивнішими за сучасні, утворювалися перші чорні діри. Вони відразу починали поглинати оточуючу речовину, густина якої теж була значно більшою, ніж зараз. Комусь із них «пощастило» більше, вони зростали швидше, втягували в обертальний рух навколо себе інші об’єкти, «збираючи» з них цілі системи з сукупними масами у мільйони та мільярди сонячних. Так можна спрощено описати процеси виникнення великих зоряних систем — галактик. Подібних висновків можна дійти, виходячи з того, що в центрах практично всіх достатньо масивних галактик є невипромінюючі компактні об’єкти, у мільйони разів важчі за наше Сонце. Вони отримали назву надмасивних чорних дір.

Галактика UGC 2885, приблизно вдесятеро масивніша за нашу, містить у своєму центрі чорну діру, яка в десятки мільйонів разів перевищує за масою Сонце

Трапляється, що така чорна діра й досі поглинає речовину у величезних кількостях. При цьому виділяється дуже багато енергії (у перерахунку на затрачену масу — навіть більше, ніж під час термоядерного синтезу). З випадаючої речовини утворюється вже згаданий акреційний диск. У ньому виникають потужні магнітні поля, що змушують частину матерії вивергатися назад у космічний простір у вигляді двох високоенергетичних струменів, спрямованих у протилежних напрямках уздовж осі диска — так званих джетів. Їх уже неодноразово спостерігали у центрах масивних галактик. Багато фактів указує на те, що в центрі Чумацького Шляху в минулому відбувалося щось подібне.

Чорні діри проміжних мас

Особливості формування надмасивних об’єктів призвели до того, що чорні діри з масами від сотні до мільйона сонячних зустрічаються досить рідко. Вони присутні, наприклад, у центрах деяких кулястих зоряних скупчень (серед найвідоміших подібних об’єктів — скупчення ω Центавра та M15), які можна розглядати як «мінігалактики», що містять сотні тисяч зірок. Також ці чорні діри знаходять у центрах деяких карликових галактик. У 2015 році команда японських учених виявила надзвичайно високі швидкості струменів газу в міжзоряній газовій хмарі CO-0.40-0.22. Найкраще пояснення цього феномену — наявність у хмарі чорної діри, приблизно в сотню тисяч разів важчої за Сонце.

Реліктові чорні діри

Чи можуть існувати надщільні об’єкти з масою, скажімо, декілька тонн? Теоретично — так, просто вченим невідомі технічні можливості стиснення великих об’ємів «звичайної» матерії до частинок нанометрового розміру. Однак існує гіпотетична можливість того, що подібні тіла утворювалися на ранніх етапах еволюції Всесвіту, коли його середня густина була незрівнянно більшою, ніж зараз.

Існує дуже мала ймовірність того, що деяка кількість мікроскопічних (тзв. квантових) чорних дір, які утворилися під час Великого вибуху, «дожила» до нашого часу. Виявити їх надзивчайно важко, але якщо це вдасться — ми зможемо отримати багато цінної інформації про минуле нашого Всесвіту

Більшість таких «реліктових чорних дір» уже давно зникли завдяки механізму квантового випаровування, запропонованого британським астрофізиком Стівеном Гокінґом (Stephen Hawking), але частина, можливо, «дожила» до нашого часу й блукає десь міжзоряним і міжгалактичним простором. Імовірність зіткнутися з якоюсь із них надзвичайно низька, помітити їх на великих відстанях практично неможливо.

Найбільша чорна діра?

Чим більша маса речовини, яка «заповнює» шварцшильдівський радіус — тим меншою виходить умовна густина чорної діри. Щоб довести до «чорнодірного» стану, наприклад, нашу Землю, її треба стиснути в кульку діаметром приблизно 18 мм. Отримана при цьому густина перевищила би 2×10³⁰ кг/м³. Але вже у випадку Сонця, що має шварцшильдівський радіус майже 3 км, цей показник буде у сто мільярдів разів меншим. «Густина» супермасивної чорної діри у центрі Туманності Андромеди взагалі не перевищує 650 кг/м³— це менше густини води!

А якщо розрахувати цей радіус для умовного тіла, маса якого відповідає оцінкам маси нашого Всесвіту (10⁵³ кг), ми отримаємо майже 14 млрд світлових років, що підозріло близько до величини радіуса простору, доступного спостереженням. Це дає підстави деяким ученим вважати, що насправді ми разом з усіма об’єктами нашого світу перебуваємо всередині величезної чорної діри, й для спостерігачів із іншого просторового виміру вона цілком може мати саме такий вигляд. Поки ми не можемо ані довести, ані спростувати цю екзотичну гіпотезу.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine