Астроном відкривач чорних дір 6 букв сканворд. Історія чорних дір. Дуже поверхнева ентропія

Чорні діри, темна матерія, темна речовина ... Це, безсумнівно, найдивніші і загадкові об'єкти в космосі. Їх всі свої небезпечні властивості можуть кинути виклик законам фізики Всесвіту і навіть природі існуючої дійсності. Щоб зрозуміти, що ж таке чорні діри, вчені пропонують "змінити орієнтири", навчитися думати нестандартно і застосувати трохи фантазії. Чорні діри утворюються з ядер супер масивних зірок, які можна охарактеризувати як область простору, де величезна маса зосереджена в порожнечі, і нічого, навіть світло не може там уникнути гравітаційного тяжіння. Це та область, де друга космічна швидкість перевищує швидкість світла: І чим більш масивний об'єкт руху, тим швидше він повинен рухатися для того, щоб позбутися від сили своєї тяжкості. Це відомо як друга космічна швидкість.

Енциклопедія Кольєра називає чорними дірами область в просторі, що виникла в результаті повного гравітаційного колапсу речовини, в якій гравітаційне тяжіння так велике, що ні речовина, ні світло, ні інші носії інформації не можуть її покинути. Тому внутрішня частина чорної діри причинно не пов'язана з решти Всесвіту; що відбуваються всередині чорної діри фізичні процеси не можуть впливати на процеси поза нею. Чорна діра оточена поверхнею з властивістю односпрямованої мембрани: речовина і випромінювання вільно падає крізь неї в чорну діру, але звідти ніщо не може вийти. Цю поверхню називають "горизонтом подій".

Історія відкриття

Чорні діри, передбачені загальною теорією відносності (теорією гравітації, запропонованої Ейнштейном в 1915) і іншими, більш сучасними теоріями тяжіння, були математично обгрунтовані Р.Оппенгеймером і Х. Снайдером в 1939. Але властивості простору і часу в околиці цих об'єктів виявилися настільки незвичними, що астрономи і фізики протягом 25 років не ставилися до них серйозно. Однак астрономічні відкриття в середині 1960-х років змусили поглянути на чорні діри як на можливу фізичну реальність. Нові відкриття і вивчення може принципово змінити наші уявлення про простір і час, проливаючи світло на мільярди космічних таємниць.

Освіта чорних дір

Поки в надрах зірки відбуваються термоядерні реакції, вони підтримують високу температуру і тиск, перешкоджаючи стиску зірки під дією власної гравітації. Однак з часом ядерне паливо виснажується, і зірка починає стискатися. Розрахунки показують, що якщо маса зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона виграє "битву з гравітацією": її гравітаційний колапс буде зупинений тиском "виродженого" речовини, і зірка назавжди перетвориться в білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити її катастрофічного колапсу і вона швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою.

Чорна діра - дірка від бублика?

Те, що не випромінює світло, помітити непросто. Одним із способів пошуку чорної діри є пошук областей у відкритому космосі, які володіють великою масою і знаходяться в темному просторі. При пошуку подібних типів об'єктів астрономи виявили їх у двох основних сферах: в центрах галактик і в подвійних зоряних системах нашої Галактики. Всього ж, як припускають вчені, існує десятки мільйонів таких об'єктів.

Історія чорних дір

Олексій Левін

Наукове мислення е часом конструює об'єкти з настільки парадоксальними властивостями, що навіть найбільш проникливі вчені спочатку відмовляють їм у визнанні. Найбільш наочний приклад в історії новітньої фізики - багаторічна відсутність інтересу до чорних дірок, екстремальним станам гравітаційного поля, передбаченим майже 90 років тому. Довгий час їх вважали чисто теор етіческого абстракцією, і лише в 1960-70-і роки увірували в їх реальність. Однак основне рівняння теор ії чорних дір було виведено понад двісті років тому.

Осяяння Джона Мічелла

Ім'я Джона Мічелла, фізика, астронома і геолога, професора Кембриджського університету і пастора англіканської церкви, абсолютно незаслужено загубилося серед зірок англійської науки XVIII століття. Мічелл заклав основи сейсмології - науки про землетруси, виконав чудову дослідження магнетизму і задовго до Кулона винайшов крутильні ваги, які використовував для гравіметричних вимірювань. У 1783 році він спробував об'єднати два великих твори Ньютона - механіку і оптику. Ньютон вважав світло потоком найдрібніших частинок. Мічелл припустив, що світлові корпускули, як і звичайна матерія, підпадають під дію законів механіки. Слідство з цієї гіпотез и виявилося вельми нетривіальним - небесні тіла можуть перетворитися в пастки для світла.

Як міркував Мічелл? Гарматне ядро, вистрілене з поверхні планети, повністю подолає її тяжіння, лише якщо його початкова швидкість перевищить значення, зване тепер другою космічною швидкістю і швидкістю тікання. Якщо гравітація планети настільки сильна, що швидкість втечі перевищує швидкість світла, випущені в зеніт світлові корпускули не зможуть піти в нескінченність. Це ж станеться і з відбитим світлом. Отже, для дуже віддаленого спостерігача планета виявиться невидимою. Мічелл обчислив критичне значення радіусу такої планети R кр залежно від її маси М, наведеної до маси нашого Сонця M s: R кр = 3 км x M / M s.

Джон Мічелл вірив своїм формулам і припускав, що глибини космосу приховують безліч зірок, які із Землі можна розгледіти ні в один телескоп. Пізніше до такого ж висновку прийшов великий французький математик, астроном і фізик П'єр Симон Лаплас, що включив його і в перше (1796), і в друге (1799) видання свого «Викладу системи світу». А ось третє видання побачило світ 1808 року, коли більшість фізиків вже вважало світло коливаннями ефіру. Існування «невидимих» зірок суперечило хвильової теор ії світла, і Лаплас вважав за краще про них просто не згадувати. У наступні часи цю ідею вважали курйозом, гідним викладу лише в працях з історії фізики.

модель Шварцшильда

У листопаді 1915 Альберт Ейнштейн опублікував теор ію гравітації, яку він назвав загальною теор ией відносності (ЗТВ). Ця робота відразу ж знайшла вдячного читача в особі його колеги по Берлінської Академії наук Карла Шварцшильда. Саме Шварцшильд першим в світі застосував ОТО для вирішення конкретного астрофізичної завдання, розрахунку метрики простору-часу поза і всередині невращающейся сферичного тіла (для конкретності будемо називати його зіркою).

З обчислень Шварцшильда слід, що тяжіння зірки не надто спотворює ньютоновскую структуру простору і часу лише в тому випадку, якщо її радіус набагато більше тієї самої величини, яку обчислив Джон Мічелл! Цей параметр спочатку називали радіусом Шварцшильда, а зараз називають гравітаційним радіусом. Згідно ОТО, тяжіння не впливає на швидкість світла, але зменшує частоту світлових коливань в тій же пропорції, в якій уповільнює час. Якщо радіус зірки в 4 рази перевершує гравітаційний радіус, то потік часу на її поверхні сповільнюється на 15%, а простір набуває відчутну кривизну. При дворазовому перевищенні воно викривляється сильніше, а час уповільнює свій біг вже на 41%. При досягненні гравітаційного радіуса час на поверхні зірки повністю зупиняється (все частоти зануляются, випромінювання заморожується, і зірка гасне), проте кривизна простору там все ще кінцева. Далеко від світила геометрія як і раніше залишається евклідової, та й час не змінює своєї швидкості.

Незважаючи на те що значення гравітаційного радіуса у Мічелла і Шварцшильда збігаються, самі моделі не мають нічого спільного. У Мічелла простір і час не змінюються, а світло сповільнюється. Зірка, розміри якої менше її гравітаційного радіуса, продовжує світити, однак видно вона тільки не надто віддаленою спостерігачеві. У Шварцшильда ж швидкість світла абсолютна, але структура простору і часу залежить від тяжіння. Яка провалилася під гравітаційний радіус зірка зникає для будь-якого спостерігача, де б він не знаходився (точніше, її можна виявити за гравітаційними ефектами, але аж ніяк не по випромінюванню).

Від зневіри до утвердження

Шварцшильд і його сучасники вважали, що настільки дивні космічні об'єкти в природі не існують. Сам Ейнштейн не тільки дотримувався цієї точки зору, але і помилково вважав, що йому вдалося обгрунтувати свою думку математично.

У 1930-ті роки молодий індійський астрофізик Чандрасекар довів, що витратив ядерне паливо зірка скидає оболонку і перетворюється в повільно остигає білий карлик лише в тому випадку, якщо її маса менше 1,4 мас Сонця. Незабаром американець Фріц Цвіккі здогадався, що при вибухах наднових виникають надзвичайно щільні тіла з нейтронної матерії; пізніше до цього ж висновку прийшов і Лев Ландау. Після робіт Чандрасекара було очевидно, що подібну еволюцію можуть зазнати тільки зірки з масою більше 1,4 мас Сонця. Тому, природно, виникло питання - чи існує верхня межа маси для наднових, які залишають після себе нейтронні зірки?

В кінці 30-х років майбутній батько американської атомної бомби Роберт Оппенгеймер встановив, що така межа дійсно є і не перевищує декількох сонячних мас. Дати більш точну оцінку тоді не було можливості; тепер відомо, що маси нейтронних зірок зобов'язані перебувати в інтервалі 1,5-3 M s. Але навіть з приблизних обчислень Оппенгеймера і його аспіранта Джорджа Волкова випливало, що найпотужніші нащадки наднових не стають нейтронними зірками, а переходять в якийсь інший стан. У 1939 році Оппенгеймер і Хартланд Снайдер на ідеалізованої моделі довели, що масивна коллапсирующая зірка стягується до свого гравітаційного радіусу. З їх формул фактично випливає, що зірка на цьому не зупиняється, однак співавтори утрималися від такого радикального висновку.

Остаточний відповідь була знайдена в другій половині XX століття зусиллями цілої плеяди блискучих фізиків-теор етика, в тому числі і радянських. Виявилося, що подібний колапс завждистискає зірку «до упору», повністю руйнуючи її речовина. В результаті виникає сингулярність, «суперконцентрат» гравітаційного поля, замкнутий в нескінченно малому обсязі. У нерухомою діри це точка, у що обертається - кільце. Кривизна простору-часу і, отже, сила тяжіння поблизу сингулярності прагнуть до нескінченності. В 1967 році американський фізик Джон Арчибальд Вілер першим назвав такий фінал зоряного колапсу чорною дірою. Новий термін полюбився фізикам і привів у захват журналістів, які рознесли його по всьому світу (хоча французам він спочатку не сподобався, оскільки вираз trou noir наводило на сумнівні асоціації).

Там, за горизонтом

Чорна діра - це не речовина і не випромінювання. З деякою часткою образності можна сказати, що це самоподдерживающееся гравітаційне поле, сконцентроване в сильно викривленої області простору-часу. Її зовнішня межа задається замкнутої поверхнею, горизонтом подій. Якщо зірка перед колапсом не обертається, ця поверхня виявляється правильною сферою, радіус якої збігається з радіусом Шварцшильда.

Фізичний сенс горизонту дуже наочний. Світловий сигнал, посланий з його зовнішньої околиці, може піти на нескінченно далеку дистанцію. А ось сигнали, надіслані з внутрішньої області, не тільки не перетнуть горизонту, але і неминуче «проваляться» в сингулярність. Горизонт - це просторова межа між подіями, які можуть стати відомі земним (і будь-яким іншим) астрономам, і подіями, інформація про яких ні при якому розкладі не вийде назовні.

Як і належить «по Шварцшильда», далеко від горизонту тяжіння діри обернено пропорційно квадрату відстані, тому для віддаленого спостерігача вона проявляє себе як звичайне важке тіло. Крім маси, діра успадковує момент інерції коллапсіровшей зірки і її електричний заряд. А всі інші характеристики зірки-попередниці (структура, склад, спектральний клас і т. П.) Йдуть у небуття.

Відправимо до дірі зонд з радіостанцією, яка подає сигнал раз в секунду по бортовому часу. Для віддаленого спостерігача в міру наближення зонда до горизонту інтервали часу між сигналами будуть збільшуватися - в принципі, необмежена. Як тільки корабель перетне невидимий горизонт, він повністю замовкне для «наддирного» світу. Однак це зникнення чи не виявиться безслідною, оскільки зонд віддасть дірі свою масу, заряд і обертальний момент.

Чернодирное випромінювання

Всі попередні моделі були побудовані виключно на основі ОТО. Однак наш світ керується законами квантової механіки, які не оминають увагою і чорні діри. Ці закони не дозволяють вважати центральну сингулярність математичної точкою. У квантовому контекст е її діаметр задається довжиною Планка-Уїлера, приблизно дорівнює 10 -33 сантиметри. У цій області звичайне простір перестає існувати. Прийнято вважати, що центр діри нафарширований різноманітними топологічними структурами, які народжуються і вмирають відповідно до квантовими ймовірносними закономірностями. Властивості подібного булькаючої квазіпространства, яке Уілер назвав квантової піною, ще мало вивчені.

Наявність квантової сингулярності має пряме відношення до долі матеріальних тіл, що падають вглиб чорної діри. При наближенні до центру діри будь-який об'єкт, виготовлений з нині відомих матеріалів, буде розчавлений і розірваний приливними силами. Однак навіть якщо майбутні інженери і технологи створять якісь надміцні сплави і композити з небаченими нині властивостями, всі вони все одно приречені на зникнення: адже в зоні сингулярності немає ні звичного часу, ні звичного простору.

Тепер розглянемо в квантовомеханічну лупу горизонт дірки. Порожній простір - фізичний вакуум - насправді зовсім не порожньо. Через квантових флуктуацій різних полів у вакуумі безперервно народжується і гине безліч віртуальних частинок. Оскільки тяжіння близько горизонту дуже велике, його флуктуації створюють надзвичайно сильні гравітаційні сплески. При розгоні в таких полях новонароджені «віртуали» набувають додаткову енергі ю і часом стають нормальними довгоживучими частками.

Віртуальні частки завжди народжуються парами, які рухаються в протилежних напрямках (цього вимагає закон збереження імпульсу). Якщо гравітаційна флуктуація витягне з вакууму пару частинок, може трапитися так, що одна з них матеріалізується зовні горизонту, а друга (античастинка першої) - всередині. «Внутрішня» частка провалиться в дірку, а ось «зовнішня» при сприятливих умовах може піти. В результаті діра перетворюється в джерело випромінювання і тому втрачає енергі ю і, отже, масу. Тому чорні діри в принципі не стабільні.

Цей феномен називається ефектом Хокінга, в честь чудового англійського фізика-теор етика, який його відкрив в середині 1970-х років. Стівен Хокінг, зокрема, довів, що горизонт чорної діри випромінює фотони точно так же, як і абсолютно чорне тіло, нагріте до температури T = 0,5 x 10 -7 x M s / M. Звідси випливає, що в міру схуднення діри її температура зростає, а «випаровування», природно, посилюється. Цей процес надзвичайно повільний, і час життя дірки маси M становить близько 10 65 x (M / M s) 3 років. Коли її розмір стає рівним довжині Планка-Уїлера, діра втрачає стабільність і вибухає, виділяючи ту ж енергі ю, що і одночасний вибух мільйона десятімегатонних водневих бомб. Цікаво, що маса дірки в момент її зникнення все ще досить велика, 22 мікрограма. Згідно з деякими моделям, діра не зникає безслідно, а залишає після себе стабільний релікт такої ж маси, так званий максімон.

Максімоннародився 40 років тому - як термін і як фізична ідея. У 1965 році академік М. А. Марков припустив, що існує верхня межа маси елементарних частинок. Він запропонував вважати цим граничним значенням величину розмірності маси, яку можна скомбінувати з трьох фундаментальних фізичних констант - постійної Планка h, швидкості світла C і гравітаційної постійної G (для любителів подробиць: для цього треба перемножити h і C, розділити результат на G і витягти квадратний корінь). Це ті самі 22 мікрограма, про які йдеться в статті, цю величину називають планковской масою. З тих же констант можна сконструювати величину з розмірністю довжини (вийде довжина Планка-Уїлера, 10 -33 см) і з розмірністю часу (10 -43 сек).
Марков пішов в своїх міркуваннях і далі. Згідно з його гіпотез е, випаровування чорної діри призводить до утворення «сухого залишку» - максімона. Марков назвав такі структури елементарними чорними дірами. Наскільки ця теор ія відповідає реальності, поки що питання відкрите. У всякому разі, аналоги марковских максімонов відроджені в деяких моделях чорних дір, виконаних на базі теор ії суперструн.

глибини космосу

Чорні діри не заборонені законами фізики, але чи існують вони в природі? Абсолютно строгі докази наявності в космосі хоч одного подібного об'єкта поки не знайдені. Однак дуже ймовірно, що в деяких подвійних системах джерелами рентгенівського випромінювання є чорні діри зоряного походження. Це випромінювання повинно виникати внаслідок відсмоктування атмосфери звичайної зірки гравітаційним полем дірки-сусідки. Газ під час руху до горизонту подій сильно нагрівається і випускає рентгенівські кванти. Чи не менше двох десятків рентгенівських джерел зараз вважаються придатними кандидатами на роль чорних дір. Більш того, дані зоряної статистики дозволяють припустити, що тільки в нашій Галактиці існує близько десяти мільйонів дірок зоряного походження.

Чорні діри можуть формуватися і в процесі гравітаційного згущення речовини в галактичних ядрах. Так виникають велетенські діри з масою в мільйони і мільярди сонячних, які, цілком ймовірно, є в багатьох галактиках. Судячи з усього, в закритому пиловими хмарами центрі Чумацького Шляху ховається діра з масою 3-4 мільйони мас Сонця.

Стівен Хокінг прийшов до висновку, що чорні діри довільної маси могли народжуватися і відразу після Великого Вибуху, що дав початок нашому Всесвіту. Первинні діри масою до мільярда тонн вже випарувалися, але важчі можуть і зараз ховатися в глибинах космосу і в свій термін устроівать космічний феєрверк у вигляді найпотужніших спалахів гамма-випромінювання. Однак до сих пір такі вибухи жодного разу не спостерігалися.

Фабрика чорних дір

А чи не можна розігнати частинки в прискорювачі до такої високої енергі і, щоб їх зіткнення породило чорну діру? На перший погляд, ця ідея просто божевільна - вибух діри знищить все живе на Землі. До того ж вона технічно нездійсненна. Якщо мінімальна маса дірки дійсно дорівнює 22 мікрограмів, то в енергетичних одиницях це 10 28 МеВ. Цей поріг на 15 порядків перевищує можливості самого потужного в світі прискорювача, Великого адронного коллайдера (БАК), який буде запущений в ЦЕРНі в 2007 році.

src = "black_holes1 / aerial-view-lhc.jpg" width = "275" border = "0">

Однак не виключено, що стандартна оцінка мінімальної маси діри значно завищена. У всякому разі, так стверджують фізики, які розробляють теор ію суперструн, яка включає в себе і квантову теор ію гравітації (правда, далеко не завершену). Відповідно до цієї теор ії, простір має не три виміри, а не менше дев'яти. Ми не помічаємо додаткових вимірів, оскільки вони закільцьовані в таких малих масштабах, що наші прилади їх не сприймають. Однак гравітація всюдисуща, вона проникає і в приховані вимірювання. У тривимірному просторі сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані, а в девятімерном - восьмому ступені. Тому в багатовимірному світі напруженість гравітаційного поля при зменшенні дистанції зростає набагато швидше, ніж в тривимірному. В цьому випадку Планка довжина багаторазово збільшується, а мінімальна маса дірки різко падає.

Теорія струн пророкує, що в девятімерном просторі може народитися чорна діра з масою всього лише в 10 -20 м Приблизно така ж і розрахункова релятиви стская маса протонів, розігнаних в церновском суперускорітеле. Згідно найбільш оптиміст іческого сценарієм, він зможе щомиті виробляти по одній дірі, яка проживе близько 10 -26 секунд. У процесі її випаровування будуть народжуватися всілякі елементарні частинки, які буде нескладно зареєструвати. Зникнення діри призведе до виділення енергі і, якої не вистачить навіть для того, щоб нагріти одним мікрограм води на тисячну градуса. Тому є надія, що ВАК перетвориться в фабрику нешкідливих чорних дір. Якщо ці моделі вірні, то такі діри зможуть реєструвати і орбітальні детект ори космічних променів нового покоління.

Все вищеописане відноситься до нерухомих чорних дірок. Тим часом, існують і обертові діри, що володіють букетом найцікавіших властивостей. Результати теор етіческого аналізу чернодирного випромінювання привели також до серйозного переосмислити енію поняття ентропії, яке також заслуговує на окрему розмову.

космічні супермаховики

Статичні електронейтральні чорні діри, про які ми розповідали, абсолютно не типові для реального світу. Коллапсирующие зірки, як правило, обертаються і до того ж можуть володіти електричним зарядом.

Теорема про лисині

Величезні дірки в галактичних ядрах, цілком ймовірно, утворюються з первинних центрів гравітаційної конденсації - єдиною «послезвездной» діри або ж декількох дірок, що злилися в результаті зіткнень. Такі дірки-зародки заковтують розташовані поблизу зірки і міжзоряний газ і тим багаторазово збільшують свою масу. Падіння під горизонт речовина знову-таки має як електричним зарядом (космічний газ і пилові частинки легко іонізуються), так і обертальним моментом (падіння відбувається з закруткою, по спіралі). У будь-якому фізичному процесі момент інерції і заряд зберігаються, і тому природно припустити, що формування чорних дір не є винятком.

Але справедливо і ще більш сильне твердження, окремий випадок якого був сформульований в першій частині статті (див. А. Левін, Дивовижна історія чорних дір, «Популярна механіка» №11, 2005). Якими б не були предки макроскопічної чорної діри, вона отримує від них лише масу, момент обертання і електричний заряд. За словами Джона Уїлера, «чорна діра не має волосся». Правильніше було б сказати, що з горизонту будь діри звисають не більш трьох «волосинок», що і було доведено об'єднаними зусиллями декількох фізиків-теор етика в 1970-х. Правда, в дірі повинен зберігатися і магнітний заряд, гіпотетичні носії якого, магнітні монополі, були передбачені Полем Діраком в 1931 році. Однак ці частинки ще не виявлені, і про четверту «волосинці» говорити зарано. В принципі, можуть існувати і додаткові «волосся», пов'язані з квантовими полями, проте в макроскопічної дірі вони абсолютно непомітні.

І все-таки вони крутяться

Якщо статичну зірку підзарядити, метрика простору-часу зміниться, але обрій подій як і раніше залишиться сферичним. Однак зоряні і галактичні чорні діри по ряду причин не можуть нести великий заряд, тому з точки зору астрофізики цей випадок не дуже цікавий. А ось обертання діри тягне за собою більш серйозні наслідки. По-перше, змінюється форма горизонту. Відцентрові сили стискають його по осі обертання і розтягують в площині екватора, так що сфера перетворюється в щось подібне еліпсоїда. По суті, з горизонтом відбувається те ж саме, що з будь-яким обертовим тілом, зокрема, з нашою планетою - адже екваторіальний радіус Землі на 21,5 км довша полярного. По-друге, обертання зменшує лінійні розміри горизонту. Згадаймо, що горизонт - це межа розділу між подіями, які можуть або не можуть посилати сигнали до віддалених світів. Якщо тяжіння дірки полонить світлові кванти, то відцентрові сили, навпаки, сприяють їх догляду у відкритий космос. Тому горизонт обертається дірки повинен розташовуватися ближче до її центру, ніж горизонт статичної зірки з такою ж масою.

Але і це не все. Діра в своєму обертанні захоплює за собою навколишній простір. У безпосередній близькості від діри захоплення повне, на периферії воно поступово слабшає. Тому горизонт дірки занурений в особливу область простору - ергосферу. Кордон ергосфери торкається до горизонту біля полюсів і найдалі відходить від нього в площині екватора. На цій поверхні швидкість захоплення простору дорівнює світловий; всередині неї вона більша за швидкість світла, а зовні - менше. Тому будь-яке матеріальне тіло, будь то газова молекула, частка космічного пилу або зонд-розвідник, при попаданні в ергосферу неодмінно починає обертатися навколо діри, причому в тому ж напрямку, що і вона сама.

Зоряні генератори

Наявність ергосфери, в принципі, дозволяє використовувати дірку в якості джерела енергі і. Нехай якийсь об'єкт проникає в ергосферу і розпадається там на два осколка. Може виявитися, що один з них провалиться під горизонт, а інший покине ергосферу, причому його кінетична енергі я перевищить початкову енергі ю цілого тіла! Ергосфера володіє також здатністю посилювати електромагнітне випромінювання, яке падає на неї і знову розсіюється в простір (це явище називається сверхрадіаціей).

Втім, закон збереження енергі і непохитний - вічних двигунів не існує. Коли дірка підживлює енергі їй частки або випромінювання, її власна енергі я обертання зменшується. Космічний супермаховик поступово зменшує оберти, і в кінці кінців може навіть зупинитися. Підраховано, що таким чином можна перевести в енергі ю до 29% маси діри. Ефективніше цього процесу - лише анігіляція речовини і антиречовини, оскільки в цьому випадку маса повністю перетворюється у випромінювання. А ось сонячне термоядерна паливо вигоряє з багато меншим ККД - близько 0,6%.

Отже, швидко обертається чорна діра - чи не ідеальний генератор енергі і для космічних суперцівілізацій (якщо, звичайно, такі є). У всякому разі, природа використовує цей ресурс з незапам'ятних часів. Квазари, найпотужніші космічні «радіостанції» (джерела електромагнітних хвиль), харчуються енергі їй велетенських обертових дір, розташованих в ядрах галактик. Цю гіпотез у висунули Едвін Салпетер і Яків Зельдович ще в 1964 році, і з тих пір вона стала загальноприйнятою. Наближається до дірі речовина утворює кільцеподібну структуру, так званий аккреційний диск. Так як простір поблизу від діри сильно закручено її обертанням, внутрішня зона диска утримується в екваторіальній площині і повільно осідає до горизонту подій. Газ в цій зоні сильно нагрівається внутрішнім тертям і генерує інфрачервоне, світлове, ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання, а часом навіть і гамма-кванти. Квазари випускають також нетеплове радіовипромінювання, яке в основному обумовлено синхротронним ефектом.

Дуже поверхнева ентропія

Теорема про лисих дірках приховує вельми підступний підводний камінь. Коллапсірующая зірка являє собою згусток надгарячої газу, що стискається силами тяжіння. Чим вище щільність і температура зоряної плазми, тим менше в ній порядку і більше хаосу. Ступінь хаотичності виражається цілком конкретної фізичної величиною - ентропією. З плином часу ентропія будь-якого ізольованого об'єкта зростає - така суть другого закону термодинаміки. Ентропія зірки перед початком колапсу непомірно велика, а ентропія діри начебто вкрай мала, оскільки для однозначного опису діри потрібні всього три параметри. Невже в ході гравітаційного колапсу порушується другий закон термодинаміки?

Чи не можна допустити, що при перетворенні зірки в наднову її ентропія несеться разом зі скинутої оболонкою? На жаль немає. По-перше, маса оболонки не йде ні в яке порівняння з масою зірки, тому втрата ентропії буде невелика. По-друге, нескладно придумати ще більш переконливе уявне «спростування» другого закону термодинаміки. Нехай в зону тяжіння вже готової діри потрапило тіло ненульовий температури, що володіє якоюсь ентропією. Провалившись під горизонт подій, воно зникне разом зі своїми запасами ентропії, а ентропія діри, по всій видимості, анітрохи не збільшиться. З'являється спокуса стверджувати, що ентропія прибульця не зникає, а передається нутрощі діри, але це лише словесна виверт. Закони фізики виконуються в світі, доступному для нас і наших приладів, а область під горизонтом подій для будь-якого зовнішнього спостерігача - terra incognita.

Цей парадокс дозволив аспірант Уилера Джейкоб Бекенстейн. У термодинаміки є дуже потужний інтелектуальний ресурс - теор етіческого дослідження ідеальних теплових машин. Бекенстейн придумав уявне пристрій, який трансформує тепло в корисну роботу, використовуючи чорну діру в якості нагрівача. За допомогою цієї моделі він обчислив ентропію чорної діри, яка виявилася пропорційна площі горизонту подій. Ця площа пропорційна квадрату радіуса діри, який, нагадаємо, пропорційний її масі. При захопленні будь-якого зовнішнього об'єкта маса дірки зростає, радіус подовжується, збільшується площа горизонту і, відповідно, зростає ентропія. Розрахунки показали, що ентропія діри, що заковтнув чужорідний об'єкт, перевищує сумарну ентропію цього предмета і діри до їхньої зустрічі. Аналогічно, ентропія колапсуючої зірки на багато порядків менше ентропії діри-спадкоємиці. Фактично, з міркувань Бекенстейн слід, що поверхня діри має ненульовий температурою і тому просто зобов'язана випромінювати теплові фотони (а при достатньому нагріванні і інші частинки). Однак так далеко Бекенстейн піти не наважився (цей крок зробив Стівен Хокінг).

До чого ж ми прийшли? Роздуми я про чорні діри не тільки залишають другий початок термодинаміки непорушним, але і дозволяють збагатити поняття ентропії. Ентропія звичайного фізичного тіла більш-менш пропорційна його об'єму, а ентропія діри - поверхні горизонту. Можна строго довести, що вона більше ентропії будь-якого матеріального об'єкта з такими ж лінійними розмірами. Це означає, що максимальнаентропія замкнутого ділянки простору визначається виключно площею його зовнішнього кордону! Як бачимо, теор етіческого аналіз властивостей чорних дір дозволяє зробити дуже глибокі висновки загальнофізичного характеру.

Дивлячись в глибини Всесвіту

Як здійснюється пошук чорних дір в глибинах космосу? Це питання «Популярна механіка» задала відомому астрофізику - професору Гарвардського університету Рамеш Нарайану.

«Відкриття чорних дір слід вважати одним з найбільших досягнень сучасної астрономії та астрофізики. В останні десятиліття в космосі були Ідентифіка царювати тисячі джерел рентгенівського випромінювання, кожен з яких складається з нормальної зірки і не світиться об'єкта дуже малого розміру, оточеного аккреційним диском. Темні тіла, маси яких становлять від півтора до трьох сонячних мас, напевно є нейтронними зірками. Однак серед цих невидимих об'єктів є як мінімум два десятка практично стовідсоткових кандидатів на роль чорної діри. Крім цього, вчені прийшли до єдиної думки, що в галактичних ядрах ховаються принаймні дві велетенських чорних діри. Одна з них знаходиться в центрі нашої Галактики; згідно з торішньою публікації астрономів з США і Німеччини, її маса становить 3,7 мільйона мас Сонця (M s). Кілька років тому мої колеги по Гарвардсько-Смітсонівського астрофизичному центру Джеймс Моран і Лінкольн Гринхилл внесли основний внесок у зважування діри в центрі сейфертовських галактики NGC 4258, яка потягнула на 35 мільйонів M s. Цілком ймовірно, в ядрах багатьох галактик є діри, що мають масу від мільйона до кількох мільярдів M s.

Поки немає можливості зафіксувати з Землі дійсно унікальну підпис чорної діри - наявність горизонту подій. Однак ми вже вміємо переконуватися в його відсутності. Радіус нейтронної зірки становить 10 кілометрів; такий же по порядку величини і радіус дір, які народилися в результаті зоряного колапсу. Однак нейтронна зірка має тверду поверхню, а діра такої не має. Падіння речовини на поверхню нейтронної зірки тягне за собою термоядерні вибухи, які породжують періодичні рентгенівські спалахи секундної тривалості. А коли газ досягає горизонту чорної діри, він йде під нього і не проявляє себе ніяким випромінюванням. Тому відсутність коротких рентгенівських спалахів - потужне підтвердження доречний сутності об'єкта. Всі два десятка подвійних систем, імовірно містять чорні діри, таких спалахів не випускає.

Не можна не визнати, що зараз ми змушені задовольнятися негативними доказами існування чорних дір. Об'єкти, які ми оголошуємо дірами, не можуть бути нічим іншим з точки зору загальноприйнятих теор етіческого моделей. Висловлюючись інакше, ми їх вважаємо дірами виключно тому, що не можемо розумно вважати нічим іншим. Сподіваюся, що наступним поколінням астрономів пощастить трохи більше ».

До слів професора нарайан можна додати, що астрономи вже досить давно вірили в реальність існування чорних дір. Історично першим надійним кандидатом на цю посаду став темний супутник дуже яскравого блакитного надгіганта HDE 226868, віддаленого від нас на 6500 світлових років. Він був виявлений на початку 1970-х років в рентгенівської подвійній системі Лебідь Х-1. За останніми даними, його маса становить близько 20 M s. Варто відзначити, що 20 вересня цього року були опубліковані дані, які практично повністю розсіяли сумніви в реальності ще однієї діри галактичних масштабів, про існування якої астрономи вперше запідозрили 17 років тому. Вона знаходиться в центрі галактики М31, більш відомої як Туманність Андромеди. Галактика М31 - дуже стара, їй приблизно 12 мільярдів років. Діра теж немаленька - 140 мільйонів сонячних мас. До осені 2005 року астрономи і астрофізики остаточно впевнилися в існуванні трьох надмасивних чорних дір і ще пари десятків їх більш скромних товаришок.

Вердикт теор етика

«Популярною механіці» вдалося також поговорити з двома найавторитетнішими фахівцями з теор ії тяжіння, які присвятили десятки років досліджень в області чорних дірок. Ми попросили їх перерахувати найбільш важливі досягнення в цій галузі. Ось що розповів нам професор теор етіческого фізики Каліфорнійського технологічного інституту Кіп Торн:

«Якщо говорити про макроскопічних чорні діри, які добре описуються рівняннями ОТО, то в області їх теор ії основні результати були отримані ще в 60-80-і роки XX століття. Що стосується недавніх робіт, то найцікавіші з них дозволили краще зрозуміти процеси, що відбуваються всередині чорної діри в міру її старіння. В останні роки чимала увага приділяється моделям чорних дір в багатовимірних просторах, які природно виникають в теор ії струн. Але ці дослідження відносяться вже не до класичних, а до квантових дір, поки ще не виявленим. Головний же підсумок останніх років - дуже переконливі астрофізичні підтвердження реальності існування дір з масою в кілька сонячних мас, а також надмасивних дірок в центрах галактик. Сьогодні вже не доводиться сумніватися, що ці діри дійсно існують і що ми добре розуміємо процеси їх формування ».

На це ж питання відповів і учень академіка Маркова, професор університету канадської провінції Альберта Валерій Фролов:

«Перш за все я б назвав відкриття чорної діри в центрі нашої Галактики. Дуже цікаві і теор етіческого дослідження дірок в просторах з додатковими вимірами, з яких випливає можливість народження мінідир в експериментах на прискорювачах-коллайдерах і в процесах взаємодії космічних променів з земною матерією. Нещодавно Стівен Хокінг розіслав препринт роботи, з якої випливає, що теплове випромінювання чорної діри повністю повертає до зовнішнього світу інформацію про стан об'єктів, які провалилися під її горизонт. Раніше він вважав, що ця інформація є незворотнім зникає, але тепер прийшов до протилежного висновку. Проте, слід зазначити, що остаточно це завдання можна вирішити лише на основі квантової теор ії гравітації, яка поки ще не побудована ».

Робота Хокінга заслуговує окремого коментарю. Із загальних принципів квантової механіки випливає, що ніяка інформація не зникає безслідно, але хіба що переходить в менш «читану» форму. Однак чорні діри необоротно знищують матерію і, мабуть, так само жорстко розправляються і з інформацією. У 1976 році Хокінг опублікував статтю, де цей висновок був підкріплений математичним апаратом. Деякі теор етики погодилися з ним, деякі - ні; зокрема, прихильники теор ії струн були впевнені, що інформація неразрушима. Минулого літа на конференції в Дубліні Хокінг заявив, що інформація все ж зберігається і йде з поверхні випаровується діри разом з тепловим випромінюванням. На цій зустрічі Хокінг представив лише схему своїх нових обчислень, пообіцявши згодом опублікувати їх повністю. І ось тепер, як розповів Валерій Фролов, ця робота стала доступна у вигляді препринта.

Наостанок ми попросили професора Фролова пояснити, чому він вважає чорні діри одним з найфантастичніших винаходів людського інтелекту.

«Астрономи довгий час відкривали об'єкти, для розуміння яких не була потрібна істотно нових фізичних ідей. Це відноситься не тільки до планет, зірок і галактик, але і до таких екзотичних тілам, як білі карлики і нейтронні зірки. А ось чорна діра - це щось зовсім інше, це прорив у невідоме. Хтось сказав, що її нутрощі - найкраще місце для розміщення пекла. Дослідження дірок, особливо сингулярностей, просто змушує використовувати такі нестандартні поняття і моделі, які до недавнього часу в фізиці практично не обговорювалися - наприклад, квантову гравітацію і теор ію струн. Тут виникає безліч проблем, які для фізики незвичні, навіть болючі, але, як тепер зрозуміло, абсолютно реальні. Тому вивчення дірок постійно вимагає принципово нових теор етіческого підходів, в тому числі і таких, які перебувають на межі наших знань про фізичний світ ».

Між французами і англійцями йде іноді напівжартівлива, а іноді серйозна полеміка: кого слід вважати першовідкривачем можливості існування невидимих зірок - француза П. Лапласа або англійця Дж. Мічелла? У 1973 році відомі англійські фізики-теоретики С. Хоукінг і Г. Елліс в книзі, присвяченій сучасним спеціальним математичним питань структури простору і часу, приводили роботу фрнцуза П.Лапласа з доказом можливості існування чорних зірок; тоді про роботу Дж. Мічелла ще не було відомо. Осінню 1984 року відомий англійський астрофізик М Рисі, виступаючи на конференції в Тулузі, сказав, що хоча це не дуже зручно говорити на території Франції, але він повинен підкреслити, що першим передбачив невидимі зірки англієць Дж. Мічелл, і продемонстрував знімок сторінок відповідають першій сторінці його роботи. Це історичне зауваження було зустрінуте і оплесками і посмішками присутніх.

Як тут не згадати дискусії між французами та англійцями про те, хто передбачив положення планети Нептун за збурень у русі Урана: француз У. Левер'є або англієць Дж. Адаме? Як відомо, обидва вчених незалежно правильно вказали положення нової планети. Тоді більше пощастило французу У. Левер'є. Така доля багатьох відкриттів. Часто їх роблять майже одночасно і незалежно різні люди Зазвичай пріоритет визнається за тим, хто глибше проник в суть проблеми, але іноді це просто капризи фортуни.

Але передбачення П. Лапласа і Дж. Мічьлла ще не було справжнім передбаченням чорної діри. Чому?

Справа в тому, що за часів П Лапласа ще не було відомо, що швидше за світло в природі ніщо не може рухатися. Обігнати світло в порожнечі можна! Це було встановлено А Ейнштейном в спеціальній теорії відносності вже в нашому столітті. Тому для П.Лапласа розглянута їм зірка була тільки чорної (не світяться), і він не міг знати, що така зірка втрачає здатність взагалі будь-яким чином "спілкуватися" з зовнішнім світом, що-небудь "повідомляти" далеких світів про що відбуваються на ній події . Іничі словами, він ще не знав, що це не тільки "чорна", але і "діра", в яку можна впасти, але неможливо вибратися. Тепер ми знаємо, що якщо з якоїсь області пространетва не може вийти світло, то, значить, і взагалі ніщо не може вийти, і такий об'єкт ми називаємо чорною дірою.

Інша причина, через яку міркування П. Лапласа можна вважати строгими, полягає в тому, що він розглядав гарвітаціонние поля величезної сили, в яких падаючі тіла розганяються до швидкості світла, а сам виходить світло може бути затриманий, і застосовував при цьому закон тяжіння Ньютона.

А. Ейнштейн показав "що для таких полів теорія тяжіння Ньютона непридатна, і створив нову теорію, справедливу для великими силами, а також для швидкозмінних полів (для яких ньютоновская теорія також не застосовується!), І. назвав її загальною теорією відносності. Саме висновками цієї теорії треба пользам тися для доказу можливості існування чорних дір і для вивчення їх властивостей.

Загальна теорія відносності - це дивовижна теорія. Вона настільки глибока і струнка, що викликає почуття естетичної насолоди у всякого, хто знайомиться з нею. Радянські фізики Л. Ландау і Є. Ліфшиц в своєму підручнику "Теорія поля" назвали її "найкрасивішою з усіх існуючих фізичних теорій". Німецький фізик Макс Борн сказав про відкриття теорії відносності: "Я захоплююся ним як витвором мистецтва". А радянський фізик В. Гінзбург писав, що вона викликає "... почуття ... родинне того, в якому перебувають, дивлячись на найвидатніші шедеври живопису, скульптури чи архітектури".

Численні спроби популярного викладу теорії Ейнштейна, звичайно, можуть дати загальне враження про неї. Але, чесно кажучи, воно настільки ж мало схоже на захоплення від пізнання самої теорії, як знайомство з репродукцією "Сікстинської мадонни" відрізняється від переживання, що виникає при розгляді першотвору, створеного генієм Рафаеля.

І тим не менше, коли немає можливості милування оригіналом, можна (і потрібно!) Знайомитися з доступними репродукціями, краще хорошими (а бувають всякі).

Новиков І.Д.

10 квітня група астрофізиків з проекту Event Horizon Telescope оприлюднила перший в історії знімок чорної діри. Ці гігантські, але невидимі космічні об'єкти досі залишаються одними з найбільш загадкових і інтригуючих в нашому Всесвіті.

Читайте нижче

Що таке чорна діра?

Чорна діра об'єкт (область в просторі-часі), чия гравітація настільки велика, що він притягує всі відомі об'єкти, включаючи ті, які рухаються зі швидкістю світла. Кванти самого світла також не можуть покинути цю область, тому чорна діра невидима. Спостерігати можна тільки за електромагнітними хвилями, радіацією і спотвореннями простору навколо чорної діри. На, опублікованому Event Horizon Telescope, зображений горизонт подій чорної діри межа області зі сверхсильной гравітацією, обрамлена аккреційним диском світиться матерією, яку «засмоктує» діра.

Термін «чорна діра» з'явився в середині XX століття, його ввів американський фізик-теоретик Джон Арчібальд Уілер. Він вперше вжив цей термін на науковій конференції в 1967 році.

Однак припущення про існування об'єктів настільки масивних, що силу їх тяжіння не може подолати навіть світло, висувалися ще в XVIII столітті. Сучасна теорія чорних дір почала формуватися в рамках загальної теорії відносності. Цікаво, що сам Альберт Ейнштейн в існування чорних дір не вірив.

Звідки беруться чорні діри?

Вчені вважають, що чорні діри бувають різними за походженням. Чорною дірою в кінці життя стають масивні зірки: за мільярди років в них змінюється склад газів, температура, що призводить до порушення рівноваги між гравітацією зірки і тиском розпечених газів. Тоді відбувається колапс зірки: її обсяг зменшується, але, оскільки маса не змінюється, зростає щільність. Типова чорна діра зоряної маси має радіус 30 кілометрів і щільність речовини більш 200 млн тонн на кубічний сантиметр. Для порівняння: щоб Земля стала чорною дірою, її радіус повинен скласти 9 міліметрів.

Існує ще один вид чорних дір надмасивні чорні діри, які утворюють ядра більшості галактик. Їх маса в мільярд разів більше маси зіркових чорних дір. Походження надмасивних чорних дір невідомо, є гіпотеза, що колись вони були чорними дірами зоряної маси, які росли, поглинаючи інші зірки.

Є також спірна ідея про існування первинних чорних дір, які могли з'явитися від стиснення будь-якої маси на початку існування Всесвіту. Крім того, існує припущення, що дуже маленькі чорні діри з масою, близькою масі елементарних частинок, утворюються на Великому адронному колайдері. Однак підтвердження цієї версії поки немає.

Чорна діра поглине нашу галактику?

У центрі галактики Чумацький Шлях є чорна діра Стрілець А *. Її маса в чотири мільйони разів більша за масу Сонця, а розмір 25 мільйонів кілометрів приблизно дорівнює діаметру 18 сонць. Подібні масштаби змушують деяких шукати відповіді на запитання: а чи не загрожує чорна діра всій нашій галактиці? Підстави для таких припущень є не тільки у фантастів: кілька років тому вчені повідомили про галактиці W2246 0526, яка знаходиться в 12,5 млрд світлових років від нашої планети. Відповідно до опису астрономів, що знаходиться в центрі W2246 0526 свермассівная чорна діра поступово розриває її на частини, а що виникає в результаті цього процесу випромінювання розганяє на всі боки розпечені гігантські хмари газу. Розривається чорною дірою галактика світиться яскравіше, ніж 300 трильйонів сонць.

Однак нашій рідній галактиці нічого подібного не загрожує (принаймні в короткостроковій перспективі). Більшість об'єктів Чумацького Шляху, включаючи Сонячну систему, знаходиться дуже далеко від чорної діри, щоб відчути її тяжіння. Крім того, «наша» чорна діра не втягує весь матеріал, як пилосос, а виступає лише гравітаційному якорем для групи зірок, що знаходяться на орбіті навколо неї як Сонце для планет.

Втім, навіть якщо ми коли-небудь і потрапимо за горизонт подій чорної діри то, швидше за все, навіть не помітимо цього.

Що буде, якщо «впасти» в чорну діру?

Об'єкт, притягнутий чорною дірою, швидше за все, не зможе звідти повернутися. Щоб подолати гравітацію чорної діри, потрібно розвинути швидкість вище швидкості світла, але людство поки не знає, як це можна зробити.

Гравітаційне поле навколо чорної діри дуже сильно і неоднорідне, тому всі об'єкти поруч з нею змінюють форму і структуру. Та сторона предмета, яка знаходиться ближче до горизонту подій, притягається з більшою силою і падає з великим прискоренням, тому весь предмет розтягується, стаючи схожим на макаронину. Це явище описав у своїй книзі «Коротка історія часу» знаменитий фізик-теоретик Стівен Хокінг. Ще до Хокінга астрофізики назвали це явище спагетіфікація.

Якщо описувати спагетіфікація з точки зору космонавта, який підлетів до чорної діри ногами вперед, то гравітаційне поле буде затягувати його ноги, а потім розтягне і розірве тіло, перетворивши його в потік субатомних частинок.

З боку побачити падіння в чорну діру неможливо, так як вона поглинає світло. Сторонній спостерігач побачить лише, що наближається до чорної діри об'єкт поступово сповільнюється, а потім і зовсім зупиняється. Після цього силует об'єкта буде ставати все більш розмитим, знаходити червоний колір, і нарешті просто зникне назавжди.

За припущенням Стівена Хокінга, всі об'єкти, які притягує чорна діра, залишаються в горизонті подій. З теорії відносності випливає, що поблизу чорної діри час сповільнюється аж до зупинки, тому для того, хто падає, самого падіння в чорну діру може ніколи не відбутися.

А що всередині?

Достовірної відповіді на це питання зі зрозумілих причин зараз не існує. Втім, вчені сходяться на думці, що всередині чорної діри звичні нам закони фізики вже не діють. Згідно з однією з найбільш захоплюючих і екзотичних гіпотез, просторово-часової континуум навколо чорної діри спотворюється настільки, що в самій реальності утворюється дірка, яка може бути порталом в інший всесвіт або так званої кротові норою.

Чорні діри: найпотаємніші об'єкти Всесвіту

Унаслідок відносно недавнього зростання інтересу до створення науково-популярних фільмів на тему освоєння космосу сучасний глядач чув про такі явища як сингулярність, або чорна діра. Однак, кінофільми, очевидно, не розкривають всієї природи цих явищ, а іноді навіть спотворюють побудовані наукові теорії для більшої ефектності. З цієї причини подання багатьох сучасних людей про зазначених явищах або зовсім поверхнево, або зовсім помилково. Одним з рішень проблеми, що виникла є дана стаття, в якій ми спробуємо розібратися в існуючих результатах досліджень і відповісти на питання - що таке чорна діра?

У 1784-му році англійський священик і натураліст Джон Мічелл вперше згадав в листі Королівському суспільству якесь гіпотетичне масивне тіло, яке має настільки сильне гравітаційне тяжіння, що друга космічна швидкість для нього буде перевищувати швидкість світла. Друга космічна швидкість - це швидкість, яка буде потрібно відносно малому об'єкту, щоб подолати гравітаційне тяжіння небесного тіла і вийти за межі замкненої орбіти навколо цього тіла. Відповідно до його розрахунків, тіло з щільністю Сонця і з радіусом в 500 сонячних радіусів матиме на своїй поверхні другу космічну швидкість рівну швидкості світла. У такому випадку навіть світло не покидатиме поверхню такого тіла, а тому дане тіло буде лише поглинати вступник світло і залишиться непомітним для спостерігача - таким собі чорною плямою на тлі темного космосу.

Однак, концепція надмасивної тіла, запропонована Мічелл, не приваблювала до себе великого інтересу, аж до робіт Ейнштейна. Нагадаємо, що останній визначив швидкість світла як граничну швидкість передачі інформації. Крім того, Ейнштейн розширив теорію тяжіння для швидкостей близьких до швидкості світла (). В результаті цього до чорних дірок вже було не актуально застосовувати ньютоновскую теорію.

рівняння Ейнштейна

В результаті застосування ОТО до чорних дірок і рішення рівнянь Ейнштейна були виявлені основні параметри чорної діри, яких всього три: маса, електричний заряд і момент імпульсу. Слід відзначити значний внесок індійського астрофізика Субраманьян Чандрасекара, який створив фундаментальну монографію: «Математична теорія чорних дір».

Таким чином рішення рівнянь Ейнштейна представлено чотирма варіантами для чотирьох можливих видів чорних дір:

ЧД без обертання і без заряду - рішення Шварцшильда. Одне з перших описів чорної діри (1916 рік) за допомогою рівнянь Ейнштейна, однак без урахування двох з трьох параметрів тіла. Рішення німецького фізика Карла Шварцшильда дозволяє вирахувати зовнішнє гравітаційне поле сферичного масивного тіла. Особливість концепції ЧД німецького вченого полягає в наявності горизонту подій і ховається за ним. Також Шварцшильд вперше обчислив гравітаційний радіус, який отримав його ім'я, що визначає радіус сфери, на якій розташовувався б горизонт подій для тіла з даної масою.
ЧД без обертання з зарядом - рішення Рейснера-Нордстрема. Рішення, висунуте в 1916-1918 роках, що враховує можливий електричний заряд чорної діри. Даний заряд не може бути скільки завгодно великим і обмежений з причини виникає електричного відштовхування. Останнє має компенсуватися гравітаційним притяганням.
ЧД з обертанням і без заряду - рішення Керра (1963 рік). Обертається чорна діра Керра відрізняється від статичної, наявністю так званої ергосфери (про цю та ін. Складових чорної діри - читайте далі).
ЧД з обертанням і з зарядом - Рішення Керра - Ньюмена. Дане рішення було обчислено в 1965-му році і на даний момент є найбільш повним, так як враховує всі три параметри ЧД. Однак, все ж передбачається, що в природі чорні діри мають несуттєвий заряд.

Освіта чорної діри

Існує кілька теорій про те, як утворюється і з'являється чорна діра, найбільш відома з яких - виникнення в результаті гравітаційного колапсу зірки з достатньою масою. Таким стисненням може закінчуватися еволюція зірок з масою більше трьох мас Сонця. По завершенню термоядерних реакцій всередині таких зірок вони починають прискорено стискатися в сверхплотную. Якщо тиск газу нейтронної зірки не може компенсувати гравітаційні сили, тобто маса зірки долає т.зв. межа Оппенгеймера - Волкова, то колапс триває, в результаті чого матерія стискається в чорну діру.

Другий сценарій, що описує народження чорної діри - стиснення протогалактіческіх газу, тобто міжзоряного газу, що знаходиться на стадії перетворення в галактику або якесь скупчення. У разі недостатнього внутрішнього тиску для компенсації тих же гравітаційних сил може виникнути чорна діра.

Два інших сценарії залишаються гіпотетичними:

Виникнення ЧД в результаті - т.зв. первинні чорні діри.
Виникнення в результаті протікання ядерних реакцій при високих енергіях. Приклад таких реакцій - експерименти на коллайдерах.

Структура і фізика чорних дір

Структура чорної діри по Шварцшильда включає всього два елементи, про які згадувалося раніше: сингулярність і горизонт подій чорної діри. Коротко кажучи про сингулярності, можна відзначити, що через неї неможливо провести пряму лінію, а також, що всередині неї більшість існуючих фізичних теорій не працюють. Таким чином, фізика сингулярності на сьогодні залишається загадкою для вчених. чорної діри - це якась межа, перетнувши яку, фізичний об'єкт втрачає можливість повернутися назад за її межі і однозначно «впаде» в сингулярність чорної діри.

Будова чорної діри дещо ускладнюється в разі рішення Керра, а саме при наявності обертання ЧД. Рішення Керра має на увазі наявність у діри ергосфери. Ергосфера - якась область, що знаходиться зовні горизонту подій, всередині якої всі тіла рухаються у напрямку обертання чорної діри. Дану область ще не є захоплюючою і її можливо залишити, на відміну від горизонту подій. Ергосфера, ймовірно, є таким собі аналогом аккреционного диска, що представляє обертається речовина навколо масивних тіл. Якщо статична чорна діра Шварцшильда представляється у вигляді чорної сфери, то ЧД Керрі, в силу наявності ергосфери, має форму сплюснутого еліпсоїда, у вигляді якого ми часто бачили ЧД на малюнках, в старих кінофільмах або відеоіграх.

Скільки важить чорна діра? - Найбільший теоретичний матеріал по виникненню чорної діри є для сценарію її появи в результаті колапсу зірки. В такому випадку максимальна маса нейтронної зірки і мінімальна маса чорної діри визначається межею Оппенгеймера - Волкова, згідно з яким нижня межа маси ЧД становить 2.5 - 3 маси Сонця. Найважча чорна діра, яку вдалося виявити (в галактиці NGC 4889) має масу 21 млрд мас Сонця. Однак, не варто забувати і про ЧД, гіпотетично що виникають в результаті ядерних реакцій при високих енергіях, на зразок тих, що на коллайдерах. Маса таких квантових чорних дір, інакше кажучи «планківських чорних дір» має порядок, а саме 2 · 10 -5 м
Розмір чорної діри. Мінімальний радіус ЧД можна обчислити з мінімальною маса (2.5 - 3 маси Сонця). Якщо гравітаційний радіус Сонця, тобто область, де знаходився б горизонт подій, становить близько 2,95 км, то мінімальний радіус ЧД 3-х сонячних мас буде близько дев'яти кілометрів. Такі відносно малі розміри не вкладаються в голові, коли мова йде про масивних об'єктах, що притягують все навколо. Однак, для квантових чорних дір радіус дорівнює - 10 -35 м.
Середня щільність чорної діри залежить від двох параметрів: маси і радіусу. Щільність чорної діри з масою близько трьох мас Сонця становить близько 6 × 10 26 кг / м³, тоді як щільність води 1000 кг / м³. Однак, настільки малі чорні діри не були знайдені вченими. Більшість виявлених ЧД мають масу понад 10 як 5 мас Сонця. Існує цікава закономірність, згідно з якою чим масивніше чорна діра, тим менше її щільність. При цьому зміна маси на 11 порядків тягне за собою зміну щільність на 22 порядки. Таким чином чорна діра масою 1 х 10 9 сонячних мас має щільність 18.5 кг / м³, що на одиницю менше щільності золота. А ЧД маса яких перевищує 10 10 масс Сонця можуть мати середню щільність менше щільності повітря. Виходячи з цих розрахунків логічно припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі. У випадку з квантовими ЧД, їх щільність може становити близько 10 94 кг / м³.
Температура чорної діри також обернено пропорційно залежить від її маси. Дана температура безпосередньо пов'язана с. Спектр цього випромінювання збігається зі спектром абсолютно чорного тіла, тобто тіла, що поглинає все падаюче випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла залежить тільки від його температури, тоді температуру ЧД можна визначити по спектру випромінювання Хокінга. Як було сказано вище, це випромінювання тим потужніше, ніж менше чорна діра. При цьому випромінювання Хокінга залишається гіпотетичним, оскільки ще не спостерігалося астрономами. З цього випливає, що якщо випромінювання Хокінга існує, то температура спостережуваних ЧД настільки мала, що не дозволяє зареєструвати вказане випромінювання. Згідно з розрахунками навіть температура діри з масою порядку маси Сонця - зневажливо мала (1 · 10 -7 До або -272 ° C). Температура ж квантових чорних дір може досягати близько 10 12 До і під час їх незабаром випаровуванні (близько 1.5 хв.) Такі ЧД можуть випускати енергію близько десяти мільйонів атомних бомб. Але, на щастя, для створення таких гіпотетичних об'єктів буде потрібно енергія в 10 14 разів більша за ту, яка досягнута сьогодні на Великому адронному колайдері. Крім того, подібні явища ні разу не спостерігалися астрономами.

З чого складається ЧД?

Ще одне питання хвилює, як вчених, так і тих, хто просто захоплюється астрофізикою - з чого складається чорна діра? На це питання немає однозначної відповіді, так як за горизонт подій, навколишній будь-яку чорну діру, заглянути не представляється можливим. Крім того, як уже говорилося раніше, теоретичні моделі чорної діри передбачають всього 3 її складових: ергосфера, горизонт подій і сингулярність. Логічно припустити, що в ергосфери є лише ті об'єкти, які були притягнуті чорною дірою, і які тепер обертаються навколо неї - різного роду космічні тіла і космічний газ. Горизонт подій - лише тонка неявна межа, потрапивши за яку, ті ж космічні тіла безповоротно притягуються в сторону останньої основною складовою ЧД - сингулярності. Природа сингулярності сьогодні не вивчена і про її складі говорити ще рано.

Згідно з деякими припущеннями чорна діра може складатися з нейтронів. Якщо слідувати сценарієм виникнення ЧД в наслідок стиснення зірки до нейтронної зірки з подальшим її стисненням, то, ймовірно, основна частина чорної діри складається з нейтронів, з яких складається і сама нейтронна зірка. Простими словами: при колапсі зірки її атоми стискаються таким чином, що електрони з'єднуються з протонами, тим самим утворюючи нейтрони. Подібна реакція дійсно має місце в природі, при цьому з утворенням нейтрона відбувається випромінювання нейтрино. Однак, це лише припущення.

Що буде якщо потрапити в чорну діру?

Падіння в астрофізичної чорну діру призводить до розтягування тіла. Розглянемо гіпотетичного космонавта-смертника, який попрямував в чорну діру в одному лише скафандрі ногами вперед. Перетинаючи горизонт подій, космонавт не помітить ніяких змін, не дивлячись на те, що вибратися назад у нього вже немає можливості. В деякий момент космонавт досягне точки (трохи позаду горизонту подій), в якій почне відбуватися деформація його тіла. Так як гравітаційне поле чорної діри неоднорідне і представлено зростаючим у напрямку до центру градієнтом сили, то ноги космонавта піддадуться помітно більшого гравітаційного впливу, ніж, наприклад, голова. Тоді за рахунок гравітації, вірніше - приливних сил, ноги будуть «падати» швидше. Таким чином тіло починає поступово витягатися в довжину. Для опису подібного явища астрофізики придумали досить креативний термін - спагетіфікація. Подальше розтягнення тіла, ймовірно, розкладе його на атоми, які, рано чи пізно досягнуть сингулярності. Про те, що буде відчувати людина в даній ситуації - залишається тільки гадати. Варто відзначити, що ефект розтягування тіла обернено пропорційний масі чорної діри. Тобто якщо ЧД з масою трьох Сонць миттєво розтягне / розірве тіло, то надмасивна чорна діра буде мати менші приливні сили і, є припущення, що деякі фізичні матеріали могли б «стерпіти» подібну деформацію, не втративши свою структуру.

Як відомо, поблизу масивних об'єктів час тече повільніше, а значить час для космонавта-смертника буде текти значно повільніше, ніж для землян. У такому випадку, можливо, він переживе не тільки своїх друзів, але і саму Землю. Для визначення того, наскільки сповільниться час для космонавта будуть потрібні розрахунки, проте з вищесказаного можна припустити, що космонавт буде падати в ЧД дуже повільно і, можливо, просто не доживе до того моменту, коли його тіло почне деформуватися.

Примітно, що для спостерігача зовні все тіла, підлетів до горизонту подій, так і залишаться у краю цього горизонту до тих пір, поки не пропаде їх зображення. Причиною подібного явища є гравітаційне червоне зміщення. Дещо спрощуючи, можна сказати, що світло, що падає на тіло космонавта-смертника «застиглого» у горизонту подій буде міняти свою частоту в зв'язку з його сповільненим часом. Так як час йде повільніше, то частота світла буде зменшуватися, а довжина хвилі - збільшуватися. В результаті цього явища, на виході, тобто для зовнішнього спостерігача, світло поступово зміщуватиметься у бік низькочастотного - червоного. Зсув світла по спектру матиме місце, так як космонавт-смертник все більш віддаляється від спостерігача, хоч і практично непомітно, і його час тече все повільніше. Таким чином світло, відображене його тілом, незабаром вийде за межі видимого спектру (пропаде зображення), і в подальшому тіло космонавта можна буде вловити лише в області інфрачервоного випромінювання, пізніше - в радіочастотному, і в підсумку випромінювання і зовсім буде невловимо.

Незважаючи на написане вище, передбачається, що в дуже великих надмасивних чорних дірах приливні сили не так сильно змінюються з відстанню і майже рівномірно діють на падаюче тіло. В такому випадку падаючий космічний корабель зберіг би свою структуру. Виникає резонне питання - а куди веде чорна діра? На це питання можуть відповісти роботи деяких вчених, що зв'язує два таких явища як кротові нори і чорні діри.

Ще в 1935-му році Альберт Ейнштейн і Натан Розен з урахуванням висунули гіпотезу про існування так званих кротячих нір, що з'єднує дві точки простору-часу шляхом в місцях значного викривлення останнього - міст Ейнштейна-Розена або червоточина. Для такого потужного викривлення простору будуть потрібні тіла з гігантською масою, з роллю яких відмінно впоралися б чорні діри.

Міст Ейнштейна-Розена - вважається непрохідною кротові норою, так як має невеликі розміри і є нестабільною.

Прохідна Кротова діра можливо в рамках теорії чорних і білих дір. Де біла діра є виходом інформації, що потрапила в чорну діру. Біла діра описується в рамках ОТО, однак на сьогодні залишається гіпотетичною і не була виявлена. Ще одна модель кротові нори запропонована американськими вченими Кіпом Торном і його аспірантом - Майком Морісом, яка може бути прохідною. Однак, як у випадку з червоточиною Морріса - Торна, так і у випадку з чорними і білими дірками для можливості подорожі потрібно існування так званої екзотичної матерії, яка має негативну енергію і також залишається гіпотетичною.

Чорні діри у Всесвіті

Існування чорних дір підтверджено відносно недавно (вересень 2015 г.), проте до того часу існував уже чималий теоретичний матеріал по природі ЧД, а також безліч об'єктів-кандидатів на роль чорної діри. Перш за все слід врахувати розміри ЧД, так як від них залежить і сама природа явища:

Чорна діра зоряної маси. Такі об'єкти утворюються в результаті колапсу зірки. Як уже згадувалося раніше, мінімальна маса тіла, здатного утворити таку чорну діру становить 2.5 - 3 сонячних мас.
Чорні діри середньої маси. Умовний проміжний тип чорних дір, які збільшилися за рахунок поглинання прилеглих об'єктів, на зразок скупчення газу, сусідній зірки (в системах двох зірок) і інших космічних тіл.
Надмасивна чорна діра. Компактні об'єкти з 10 5 -10 10 мас Сонця. Відмінними властивостями таких ЧД є парадоксально невисока щільність, а також слабкі приливні сили, про які говорилося раніше. Саме така надмасивна чорна діра в центрі нашої галактики Чумацького шляху (Стрілець А *, Sgr A *), а також більшості інших галактик.

Кандидати в ЧД

Найближча чорна діра, а вірніше кандидат на роль ЧД - об'єкт (V616 Єдинорога), який розташований на відстані 3000 світлових років від Сонця (в нашій галактиці). Він складається з двох компонент: зірки з масою в половину сонячної маси, а також невидимого тіла малих розмірів, маса якого становить 3 - 5 мас Сонця. Якщо даний об'єкт виявиться невеликою чорною дірою зоряної маси, то по праву стані найближчій ЧД.

Слідом за цим об'єктом другий найближчій чорною дірою є об'єкт Лебідь X-1 (Cyg X-1), який був першим кандидатом на роль ЧД. Відстань до нього приблизно 6070 світлових років. Досить добре вивчений: має масу в 14.8 мас Сонця і радіус горизонту подій близько 26 км.

За деякими джерелом ще одним найближчим кандидатом на роль ЧД може бути тіло в зоряній системі V4641 Sagittarii (V4641 Sgr), яка за оцінками 1999 року розташовувалася з відривом 1600 світлових років. Однак, подальші дослідження збільшили яку як мінімум в 15 разів.

Скільки чорних дір в нашій галактиці?

На це питання немає точної відповіді, так як спостерігати їх досить непросто, і за весь час дослідження небосхилу вченим вдалося виявити близько десятка чорних дір в межах Чумацького Шляху. Чи не вдаючись до розрахунків, відзначимо, що в нашій галактиці близько 100 - 400 млрд зірок, і приблизно кожна тисячна зірка має достатньо маси, щоб утворити чорну діру. Ймовірно, що за час існування Чумацького Шляху могли утворитися мільйони чорних дір. Так як зареєструвати простіше чорні діри величезних розмірів, то логічно припустити, що швидше за все більшість ЧД нашої галактики не є надмасивними. Примітно, що дослідження НАСА 2005-го року припускають наявність цілого рою чорних дір (10-20 тисяч), що обертаються навколо центру галактики. Крім того, в 2016-му році японські астрофізики виявили масивний супутник поблизу об'єкта * - чорна діра, ядро Чумацького Шляху. В силу невеликого радіусу (0,15 св. Років) цього тіла, а також його величезної маси (100 000 мас Сонця) вчені припускають, що даний об'єкт теж є надмасивної чорною дірою.

Ядро нашої галактики, чорна діра Чумацького Шляху (Sagittarius A *, Sgr A * або Стрілець А *) є надмасивної і має масу 4,31 · 10 6 мас Сонця, а радіус - 0,00071 світлових років (6,25 св. Ч . або 6,75 млрд. км). Температура Стрільця А * разом зі скупченням біля нього становить близько 1 × 10 7 K.

Найбільша чорна діра

Найбільша чорна діра у Всесвіті, яку вченим вдалося виявити - надмасивна чорна діра, FSRQ блазар, в центрі галактики S5 0014 + 81, на відстані 1.2 х 10 10 світлових років від Землі. За попередніми результатами спостереження, за допомогою космічної обсерваторії Swift, маса ЧД склала 40 мільярдів (40 х 10 9) сонячних мас, а радіус Шварцшильда такої діри - 118,35 мільярд кілометрів (0,013 Хаббл-тип). Крім того, згідно з підрахунками, вона виникла 12,1 млрд років тому (через 1,6 млрд. Років після Великого вибуху). Якщо дана гігантська чорна діра не буде поглинати навколишнє її матерію, то доживе до ери чорних дір - одна з епох розвитку Всесвіту, під час якої в ній будуть домінувати чорні діри. Якщо ж ядро галактики S5 0014 + 81 продовжить розростатися, то воно стане однією з останніх чорних дір, які будуть існувати у Всесвіті.

Інші дві відомі чорні діри, хоч і не мають власних назв, мають найбільше значення для дослідження чорних дір, так як підтвердили їх існування експериментально, а також дали важливі результати для вивчення гравітації. Мова про подію GW150914, яким названо зіткнення двох чорних дір в одну. Дана подія дозволило зареєструвати.

Виявлення чорних дір

Перш, ніж розглядати методи виявлення ЧД, слід відповісти на питання - чому чорна діра чорна? - відповідь на нього не вимагає глибоких знань в астрофізиці і космології. Справа в тому, що чорна діра поглинає все падаюче на неї випромінювання і зовсім не випромінює, якщо не брати до уваги гіпотетичне. Якщо розглянути даний феномен докладніше, можна припустити, що всередині чорних дір не протікають процеси, що призводять до вивільнення енергії у вигляді електромагнітного випромінювання. Тоді якщо ЧД і випромінює, то в спектрі Хокінга (який збігається зі спектром нагрітого, абсолютно чорного тіла). Однак, як було сказано раніше, це випромінювання не було зареєстровано, що дозволяє припустити про абсолютно низькій температурі чорних дір.

Інша ж загальноприйнята теорія говорить про те, що електромагнітне випромінювання і зовсім не здатне залишити горизонт подій. Найбільш ймовірно, що фотони (частинки світла) не притягується масивними об'єктами, так як відповідно до теорії - самі не мають маси. Однак, чорна діра все ж «притягує» фотони світла за допомогою спотворення простору-часу. Якщо уявити ЧД в космосі у вигляді якоїсь западини на гладкій поверхні простору-часу, то існує деяка відстань від центру чорний діри, наблизившись на яке до неї світло вже не зможе віддалитися. Тобто грубо кажучи, світло починає «падати» в «яму», яка навіть не має «дна».

На додаток до цього, якщо врахувати ефект гравітаційного червоного зсуву, то можливо в чорній дірі світло втрачає свою частоту, зміщуючись по спектру в область низькочастотного довгохвильового випромінювання, поки зовсім не втратить енергію.

Отже, чорна діра має чорний колір і тому її складно виявити в космосі.

методи виявлення

Розглянемо методи, які астрономи використовують для виявлення чорної діри:

Крім згаданих вище методів, вчені часто пов'язують такі об'єкти як чорні діри і. Квазари - якісь скупчення космічних тіл і газу, які є одними з найяскравіших астрономічних об'єктів у Всесвіті. Так як вони мають високу інтенсивністю світіння при щодо малих розмірах, є підстави припускати, що центром цих об'єктів є надмасивна чорна діра, що притягає до себе навколишню матерію. В силу такого потужного гравітаційного тяжіння притягується матерія настільки розігріта, що інтенсивно випромінює. Виявлення подібних об'єктів зазвичай зіставляється з виявленням чорної діри. Іноді квазари можуть випромінювати в дві сторони струменя розігрітій плазми - релятивістські струмені. Причини виникнення таких струменів (джет) не до кінця зрозумілі, проте ймовірно вони викликані взаємодією магнітних полів ЧД і аккреционного диска, і не випромінюються безпосередній чорною дірою.

Джет в галактиці M87 б'є з центру ЧД

Підводячи підсумки вищесказаного, можна уявити собі, поблизу: це сферичний чорний об'єкт, навколо якого обертається сильно розігріта матерія, утворюючи світиться аккреційний диск.

Злиття і зіткнення чорних дір

Одним з найцікавіших явищ в астрофізиці є зіткнення чорних дір, яке також дозволяє виявляти такі масивні астрономічні тіла. Подібні процеси цікавлять не тільки астрофізиків, так як їх наслідком стають погано вивчені фізиками явища. Найяскравішим прикладом є згадане раніше подія під назвою GW150914, коли дві чорні діри наблизилися настільки, що в результаті взаємного гравітаційного тяжіння злилися в одну. Важливим наслідком цього зіткнення стало виникнення гравітаційних хвиль.

Згідно з визначенням гравітаційних хвиль - це такі зміни гравітаційного поля, які поширюються хвилеподібним чином від масивних об'єктів, що рухаються. Коли два таких об'єкти зближуються - вони починають обертатися навколо загального центру ваги. У міру їх зближення, їх обертання навколо власної осі зростає. Подібні змінні коливання гравітаційного поля в певний момент можуть утворити одну потужну гравітаційну хвилю, яка здатна поширитися в космосі на мільйони світлових років. Так на відстані 1,3 млрд світлових років сталося зіткнення двох чорних дір, яка утворила потужну гравітаційну хвилю, яка дійшла до Землі 14 вересня 2015 року та була зафіксована детекторами LIGO і VIRGO.

Як помирають чорні діри?

Очевидно, щоб чорна діра перестала існувати, їй знадобиться втратити всю свою масу. Однак, згідно з її визначенням - ніщо не може покинути межі чорної діри якщо перейшло її горизонт подій. Відомо, що вперше про можливість випромінювання чорної дірою частинок згадав радянський фізик-теоретик Володимир Грибов, в своїй дискусії з іншим радянським вченим Яковом Зельдовичем. Він стверджував, що з точки зору квантової механіки чорна діра здатна випромінювати частки за допомогою тунельного ефекту. Пізніше за допомогою квантової механіки побудував свою, дещо іншу теорію англійський фізик-теоретик Стівен Хокінг. Детальніше про це явище Ви можете прочитати. Коротко кажучи, в вакуумі існують так звані віртуальні частинки, які постійно попарно народжуються і анігілюють один з одним, при цьому не взаємодіючи з навколишнім світом. Але якщо подібні пари виникнуть на горизонті подій чорної діри, то сильна гравітація гіпотетично здатна їх розділити, при цьому одна частинка впаде всередину ЧД, а інша відправиться у напрямку від чорної діри. І так як відлетіли від діри частка може бути наблюдаема, а значить має позитивну енергій, то впала в діру частка повинна володіти негативною енергій. Таким чином чорна діра буде втрачати свою енергію і буде мати місце ефект, який називається - випаровування чорної діри.

Згідно з наявними моделям чорної діри, як уже згадувалося раніше, зі зменшенням її маси її випромінювання стає все інтенсивніше. Тоді на завершальному етапі існування ЧД, коли вона, можливо, зменшиться до розмірів квантової чорної діри, вона виділить величезна кількість енергії у вигляді випромінювання, що може бути еквівалентно тисячам або навіть мільйонам атомних бомб. Дана подія дещо нагадує вибух чорної діри, немов тієї ж бомби. Згідно з підрахунками, в результаті Великого вибуху могли зародитися первинні чорні діри, і ті з них, маса яких близько 10 12 кг, повинні були б випаруватися і вибухнути приблизно в наш час. Як би там не було, подібні вибухи жодного разу не були помічені астрономами.

Незважаючи на запропонований Хокінг механізм знищення чорних дір, властивості випромінювання Хокінга викликають парадокс в рамках квантової механіки. Якщо чорна діра поглинає деякий тіло, а після втрачає масу, що виникла в результаті поглинання цього тіла, то незалежно від природи тіла, чорна діра не буде відрізнятися від тієї, якою вона була до поглинання тіла. При цьому інформація про тілі назавжди втрачено. З точки зору теоретичних розрахунків перетворення вихідного чистого стану в отримане змішане ( «теплове») не відповідає нинішній теорії квантової механіки. Цей парадокс іноді називають зникненням інформації в чорній дірі. Достеменне рішення даного феномена так і не було знайдено. Відомі варіанти вирішення парадоксу:

Чи не спроможність теорії Хокінга. Це тягне за собою неможливість знищення чорної діри і постійний її зростання.
Наявність білих дір. В такому випадку поглинається інформація не пропадає, а просто викидається в іншу Всесвіт.
Чи не спроможність загальноприйнятої теорії квантової механіки.

Невирішене проблеми фізики чорних дір

Судячи з усього, що було описано раніше, чорні діри хоч і вивчаються відносно довгий час, все ж мають безліч особливостей, механізми яких до цих пір не відомий вченим.

У 1970-му році англійський вчений сформулював т.зв. «Принцип космічної цензури» - «Природа почуває відразу до голої сингулярності». Це означає, що сингулярність утворюється тільки в прихованих від погляду місцях, як центр чорної діри. Однак, довести даний принцип поки не вдалося. Також існують теоретичні розрахунки, згідно з якими «гола» сингулярність може виникати.
Чи не доведена і «теорема про відсутність волосся», згідно з якою чорні діри мають всього три параметри.
Не розроблена повна теорія магнітосфери чорної діри.
Чи не вивчена природа і фізика гравітаційної сингулярності.
Достеменно невідомо, що відбувається на завершальному етапі існування чорної діри, і що залишається після її квантового розпаду.

Цікаві факти про чорні діри

Підводячи підсумки вищесказаного можна виділити кілька цікавих і незвичайних особливостей природи чорних дір:

ЧД мають всього три параметри: маса, електричний заряд і момент імпульсу. В результаті такої малої кількості характеристик цього тіла, теорема стверджують це, називається «теоремою про відсутність волосся» ( «no-hair theorem»). Звідси також виникла фраза «у чорної діри немає волосся», яка позначає, що дві ЧД абсолютно ідентичні, згадані їх три параметра однакові.
Щільність ЧД може бути менше щільності повітря, а температура близька до абсолютного нуля. З цього можна припустити, що утворення чорної діри відбувається не через стиснення речовини, а в результаті накопичення великої кількості матерії в деякому обсязі.
Час для тіл, поглинених ЧД, йде значно повільніше, ніж для зовнішнього спостерігача. Крім того, поглинені тіла значно розтягуються всередині чорної діри, що було названо вченими - спагетіфікація.
У нашій галактиці може бути близько мільйона чорних дір.
Ймовірно, в центрі кожної галактики розташовується надмасивна чорна діра.
В майбутньому, згідно теоретичної моделі, Всесвіт досягне так званої епохи чорних дір, коли ЧД стануть домінуючими тілами у Всесвіті.