Що таке чорні діри та як вони виникають

«Наука ніколи не була й не буде завершеною книгою»

Альберт Ейнштейн

Людство вже перетнуло межу третього тисячоліття. Науковий прогрес уможливив те, що 100 років тому здавалося нездійсненною мрією, фантастикою. Але й досі немає чітких відповідей на головні питання, над якими розмірковували ще філософи давнини: як влаштований наш світ і хто ми в ньому? Вдивляючись у небо, ми, як і первісні люди, намагаємося розгадати великі таємниці Всесвіту.

На сьогодні науці відомо, що тривалість життя будь-якої зірки визначає її маса. На першій стадії розвитку, коли відбувається її формування з газової хмари, температура в зоряному ядрі підіймається до кількох мільйонів градусів. Потім починається реакція перетворення водню на гелій. Поки водень «згоряє», зірка перебуває на основному етапі свого життєвого циклу, який займає приблизно 90% її існування. Цей період називають етапом головної послідовності. Коли водень усередині зірки закінчується, вона переходить на наступну стадію, де її подальша доля залежить тільки від маси. У невеликих об’єктів на кшталт нашого Сонця ядро ​​нагрівається до температури приблизно 100 млн градусів за Цельсієм, після чого гелій починає перетворюватися на вуглець і кисень. У цьому випадку зовнішня оболонка світила роздувається настільки, що в результаті народжується червоний гігант.

Ця стадія проходить вдесятеро швидше за етап «горіння» водню і займає приблизно 10% від усього часу активного життя зірки. Після «вигоряння» гелію надщільне ядро ​​перетворюється на білий карлик, а зовнішня оболонка розширюється і викидається в космос. Але через брак гравітації маломасивні зорі не здатні розігріти свою центральну область, а вуглець і кисень не можуть продовжити термоядерне «горіння». Однак у зірках, маса яких перевищує сонячну більш ніж у 10 разів, температура досягає кількох мільярдів градусів, і починається реакція з утворенням неону, магнію і важчих елементів — аж до заліза. В результаті у центрі формується залізне ядро, яке росте доти, поки об’єкт не втрачає стійкість і гравітація не «сплющує» його ще сильніше. Він стискається, перетворюючись або на нейтронну зірку з масою до мільярда тонн на кубічний сантиметр, або на чорну діру з масою, що прямує до нескінченності. Чорні діри є одними з найдивовижніших і найзагадковіших об’єктів  космосу.

Сонце у порівнянні з червоним гігантом

Чорна діра — це область простору-часу, гравітаційне тяжіння якої настільки велике, що покинути її не можуть навіть об’єкти, які рухаються зі швидкістю світла, зокрема й кванти самого світла. Межа цієї області називається горизонтом подій, а її характерний розмір — гравітаційним радіусом. Після свого утворення чорна діра відразу ж береться поглинати вмираюче світило, залишок якого починає обертатися навколо неї, утворюючи акреційний диск, що існує дуже недовго. Проте вона не в змозі за короткий час поглинути таку велику кількість речовини, тому викидає частину її назад зі швидкістю, близькою до швидкості світла. При цьому з чорної діри вириваються два спрямованих у протилежні боки потоки гамма-випромінювання, що пробиваються крізь зовнішній шар зірки й викидаються в космос. Це дуже потужний потік гамма-променів, що за яскравістю не можна порівняти ні з чим у Всесвіті. Під час звичайного вибуху наднової виділяється стільки ж енергії, скільки Сонце виділяє за 10 млрд років свого життя, а викид гамма-променів буває у 100 млн разів яскравіший, ніж наднова.

Отже, гіпернові під час вибуху наприкінці свого життя утворюють чорні діри — це найбільша загадка космосу на сьогодні. Що ж криється всередині цієї незнайомої для фізики системи?

Чорна діра — це не тверде й не газоподібне тіло, вона є не лише просторовою одиницею. Це об’єкт, що спотворює як три добре зрозумілих нам виміри (довжину, ширину, висоту), так і часову шкалу. Вчені вважають, що в районі горизонту подій час набуває просторового значення та може рухатись і вперед, і назад. Простір-час сильно викривлений через величезну гравітацію. Світлові кванти, що потрапляють до чорної діри, не просто зникають — їхня маса додається до маси сингулярності, а це робить її ще більшою та збільшує її гравітаційні сили. Основою утворення точок неповернення є гравітація, величина якої там у мільйони разів перевищує земну.

Уявлення про те, що таке чорна діра, подарував світові німецький учений Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild). На його думку, вона може утворитись у будь-якій точці простору, коли матеріальний об’єкт, що має сферичну форму, якимось чином досягає так званого гравітаційного радіуса. Закони фізики та геометрії працюють на Землі, але не діють на горизонті подій. Саме тому, з математичної точки зору, неможливо розрахувати внутрішні складові чорної діри.

Поміркуймо над тим, що таке сингулярність, із чого вона може складатись і на що перетворюється речовина чи матерія в чорній дірі. Якщо ми розгадаємо цю загадку, то зможемо дізнатися, що ж являла собою сингулярність Всесвіту до моменту Великого Вибуху.

У випадках із невеликими світилами та надновими ніби все зрозуміло: після вибуху речовина зірки або її ядра втрачає внутрішньоатомний простір і матерія ущільнюється через гравітацію до відомого науці стану білого карлика чи нейтронної зірки. Щодо вибухів гіпернових і утворення чорних дір після них, то тут усе інакше. Звернімося до відомої формули, виведеної Ейнштейном на початку минулого століття: E=mc², де Е — це енергія, m — маса, а c — швидкість світла. З цієї формули можна вивести й масу: m=E/c². Еквівалентність маси й енергії — фізична концепція Теорії відносності, згідно з якою повна енергія фізичного об’єкта дорівнює його масі, помноженій на розмірний множник квадрата швидкості світла у вакуумі. Звідси робимо висновок, що енергія та маса є різними формами одного і того ж явища. Матерія й енергія можуть переходити одна в одну. З точки зору фізики взагалі безглуздо їх розділяти. Енергія проявляє себе як маса — має інерцію та гравітаційне притягання. Наприклад, є протон, що складається з трьох кварків, сумарна маса яких (12 МеВ) набагато менша за масу самого протона (939 МеВ). Навіть маси частинок вимірюють в енергетичних одиницях — електронвольтах, а в нормальні одиниці їх переводять за допомогою вищезгаданої формули E=mc². Дослідження підтверджують, що при зближенні електрона та позитрона вони анігілюють, тобто зникають. При цьому випромінюються два гамма-кванти, що знову доводить перетворення маси на енергію. Отже, матерія й енергія еквівалентні. Під час такого перетворення зберігається властивість гравітації та викривлення простору-часу, притаманне матерії, трансформованій в енергію.

Біла діра — протилежність чорної

До слова, така трансформація частково втілена в атомній бомбі, де частинки матерії руйнуються, вивільняючи при цьому величезну кількість енергії. Під час реакції поділу ядер атомів важких елементів (наприклад, урану) загальна маса утворених «осколків» виявляється меншою, ніж маса ядра, що розділилося. Отже, частина його маси перетворюється на енергію, яку ми називаємо атомною.

Перетворення матерії на енергію можна спостерігати, запаливши сірник. Під час його горіння теж виділяється енергія від втрати маси, але вона незначна у порівнянні з реакцією розпаду ядра. Вогонь — результат хімічної реакції горіння. Як і в ядерній реакції, під час неї сума мас продуктів реакції менша за початкову масу пального й окислювача (останнім найчастіше виступає кисень повітря). Різниця початкової та кінцевої мас перетворюється на кінетичну (теплову) енергію продуктів реакції, які разом із розжареними до високих температур частинками вуглецю створюють полум’я, випромінюючи видиме оку світло. У вогні хімічних реакцій відбувається таке ж ейнштейнівське перетворення маси на енергію, що й, наприклад, у зірках. До того ж саме світло, як різновид енергії, народжується в надрах речовини під час термоядерної реакції в ядрах зірок.

Можна спостерігати за перетворенням енергії на матерію й на прикладі власного організму. Почнімо з фундаментальних принципів.

Основою біологічного життя на Землі є фотосинтез — складний хімічний процес перетворення енергії світла на енергію хімічних зв’язків органічних речовин за участю фотосинтетичних пігментів. У сучасній фізіології рослин під фотосинтезом найчастіше розуміють фотоавтотрофну функцію — сукупність процесів поглинання, трансформації та використання енергії квантів світла у різних ендергонічних реакціях. Тобто енергія квантів світла перетворюється на органічну речовину, яку споживає тваринний світ, зокрема й після переведення його у м’ясопродукти. В результаті перероблення їжі організмом матерія стає енергією, необхідною для життєдіяльності людини. Так, вуглеводи розщеплюються до стану глюкози, яка задовільняє потреби людського організму в енергії. Надлишок цієї сполуки зберігається у вигляді глікогену. Взагалі під калорійністю або енергетичною цінністю їжі розуміють кількість енергії, яку отримує організм при повному її засвоєнні.

В усьому процесі існування Всесвіту й органічного життя простежується трансформація енергії в матерію і навпаки. Енергія — це душа матерії.

Повертаючись до чорних дір, можна припустити, що сингулярність — це енергетична складова спотвореної області простору-часу. Гіпернові під час вибуху в результаті потужного гравітаційного колапсу перетворюють матерію ядра зірки на енергію.

Процес матеріально-енергетичної трансформації чорної діри може відбуватися з точністю до навпаки у порівнянні з Великим Вибухом, у результаті якого енергія трансформувалась у матерію майбутнього Всесвіту. Це означає, що при гравітаційному колапсі надмасивної зірки спочатку атоми розпадаються на ядра та електрони. Згодом перші продовжують розпадатися на протони й нейтрони, а ті — на кварки. У цей момент фундаментальні сили об’єднуються та припиняють працювати відомі нам закони фізики, після чого вся матерія колишньої зірки трансформується в енергетичну субстанцію — сингулярність.

Між іншим, якщо виходити з теорії струн, а саме — з того, що кожна елементарна частинка являє собою певний спосіб вібрації найдрібніших енергетичних ниток (найкраще їх можна зобразити у вигляді струн музичних інструментів), то можна уявити, що при гравітаційному колапсі надмасивної зірки всі енергетичні складові елементарних частинок — вже згадані струни — зливаються разом в одну маленьку енергетичну точку. В такому випадку сингулярність виглядає як зібрані воєдино енергетичні струни.

Припустімо, що під час Великого Вибуху не вся енергія трансформувалася в матерію. Частина її збереглась і була розкидана просторами Всесвіту, що зароджувався. Маючи потужну гравітацію або викривлення простору-часу, ці чималі об’єми енергії створювали навколо себе галактики, перетворюючись із часом на надмасивні чорні діри, які досі існують у центрі більшості зоряних систем (переважно спіралеподібних), що характеризуються великим сумарним обертальним моментом.

Гіпотетичний Мультивсесвіт

Ймовірно, всередині чорної діри утворюються зовсім інші світи. Вони можуть складатися з антиречовини, яка нині не знайома вченим. Існує припущення, що горизонт подій — це лише портал, який веде або в невідомий світ, або в інші точки нашого Всесвіту.

Можливий варіант, що матерія, трансформована в енергію чорною дірою, знову матеріалізується через так звані білі діри, які цю матерію викидають у навколишній простір або створюють нові всесвіти. Тоді всесвітів має бути велика кількість, як, власне, й передбачає теорія Мультиверсу (Мультивсесвіту). Гіпотетично можна припустити ще чимало варіантів, але залишимо цю тему для роздумів нашим читачам…

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