Навесні 2019-го інтернет облетіла фотографія чорної діри (точніше, її «силуету»). Прес-конференцію, де були представлені результати наукового відкриття, провели відразу в шести містах — від Вашингтона до Брюсселя й Токіо. Давайте розберемося, що таке чорна діра, що станеться з людиною всередині неї, звідки вони взагалі беруться та чому ось уже десятки років розбурхують нашу свідомість своєю таємничістю.
«Космічний глухий кут»
Чорна діра — це область простору-часу, яка має настільки потужне гравітаційне тяжіння, що жодна частинка чи електромагнітне випромінювання не можуть із неї вирватися. Межа цієї області називається горизонтом подій.
З точки зору астрофізики, чорні діри — це фінальна стадія еволюції зірок. Астрофізичні чорні діри являють собою невеликі за розмірами, але дуже масивні космічні об’єкти, що зовсім не випромінюють світла та інших електромагнітних хвиль. Наприклад, чорна діра в далекій галактиці M87, яку вдалося зареєструвати вченим, має розмір, співставний із нашою Сонячною системою. За масою вона перевищує Сонце у 6,5 млрд разів. За цим показником учені виділяють чорні діри зоряної маси, проміжної маси та надмасивні чорні діри.
Як утворюються та зникають чорні діри?
Чорні діри зоряних мас є кінцевою стадією еволюції масивних зірок. Після вичерпання воднево-гелієвого «палива» в центрі такого світила воно починає стискатись, оскільки внутрішній тиск, створюваний за рахунок виділення енергії в ході реакцій термоядерного синтезу, вже не може підтримувати стабільний стан зірки, і під дією власної гравітації вона стрімко колапсує у масивний невипромінюючий об’єкт, який ми можемо спостерігати, наприклад, у тісній подвійній системі завдяки акреційному диску, що утворюється при «перетіканні» на нього речовини зірки-компаньйона.
Надмасивні чорні діри утворюються при злитті менш масивних чорних дір, розташованих у центрах галактик. Цей процес передбачає, що маса утвореного об’єкта буде приблизно рівною сумі мас його «попередників». Такі об’єкти також можуть формуватися за рахунок злиття масивних зірок у зоряних скупченнях.
Горизонт подій випромінює енергію. Завдяки квантовим ефектам на ньому виникають потоки частинок, що вириваються в навколишній простір. Це явище називається «випромінюванням Гокінга» — на честь британського фізика-теоретика Стівена Гокінга, який його описав. Незважаючи на те, що матерія не може вирватися за межі горизонту подій, за рахунок цього випромінювання чорна діра, тим не менш, поступово «випаровується». Згодом вона остаточно втратить свою масу та зникне.
Всередині чорної діри
Вченим невідомо, що очікує людину, яка потрапить під горизонт подій. Чи поглине її чорна діра, чи розірвуть припливні сили? Або ж вона виявить там задню стінку книжкової шафи, як в американському науково-фантастичному фільмі «Інтерстеллар»?
Кореспондент ВВС Earth Аманда Гефтер (Amanda Gefter) у статті, яка стала найчитальнішою в 2015 році, передбачає, що в той момент, коли людина досягне горизонту подій, реальність розділиться надвоє. В одній реальності її миттєво спопелить, в іншій же вона пірне вглиб чорної діри живою та неушкодженою.
Справа в тому, що, відповідно до фізичних принципів, жоден носій інформації (тобто будь-яке фізичне тіло, включно з людським) неспроможний перетнути горизонт подій і має залишитись із зовнішнього його боку, інакше вся наявна в ньому інформація виявиться втраченою для нашого світу. З іншого боку, закони фізики також вимагають, щоб людина чи будь-яке інше тіло пролетіло крізь горизонт живим і неушкодженим, не зустрівши на своєму шляху жодних незвичайних небезпечних явищ. Інакше буде порушено Загальну теорію відносності.
Таке парадоксальне поєднання вчені називають терміном «парадокс зникнення інформації у чорній дірі». Американський фізик Леонард Зюскінд (Leonard Susskind) зрозумів, що жодного парадоксу насправді немає — просто два стани людини пояснюються з точки зору відчуттів того, хто потрапив у чорну діру, і того, хто спостерігає за процесом. Ці дві люди ніколи більше не зустрінуться й не зможуть порівняти свої спостереження. Отже, фізичні закони не порушуються.
Нескінченно викривлені час і простір
В міру просування вглиб чорної діри простір-час продовжує викривлятись і в її центрі стає нескінченно викривленим. Ця точка відома як гравітаційна сингулярність. Строго кажучи, самі поняття «простір» і «час» у ній перестають мати будь-яке значення, тож усі відомі нам закони фізики, для опису яких необхідні ці два поняття, більше не діють.
Кіп Торн (Kip Thorne), науковий консультант відомої кінокартини Крістофера Нолана й автор книги «Інтерстеллар. Наука за кадром», порівнює викривлення простору з мурахою на батуті. Уявіть собі мурашку (людина), яка живе на дитячому батуті (Всесвіт), у середині якого лежить дуже важкий камінь. Так само, як прогинається поверхня батута під вагою цього каменю, викривлюється і простір нашого Всесвіту в околицях масивного об’єкта. Викривлюється й час, взаємозв’язок якого з простором описують формули Теорії відносності.
Не така вже й чорна
Згідно з теорією Стівена Гокінга, чорні діри не є повністю «чорними» — фактично вони випускають частинки. Насправді у чорної діри немає жодного кольору: цей умовний вираз лише означає, що все, що падає в неї, не виходить назад. Ми можемо спостерігати її тільки в тому випадку, коли навколо неї є якась випромінююча матерія (газ або сусідня зірка, речовину якої «перетягує» надмасивний об’єкт). Завдяки гравітаційним хвилям ми можемо «побачити» дві чорні діри, що зливаються.
Перший знімок чорної діри, який вдалось отримати в ході проєкту Event Horizon Telescope, став результатом кількарічної обробки даних, зібраних радіотелескопами по всій планеті. Кольори зображення — умовні, оскільки зйомка здійснювалась у радіодиапазоні, до якого нечутливе людське око.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
