В розділі: Своїми руками
В розділі: Краса і Здоров'я
В розділі: Цікаво знати
В розділі: Своїми руками
В розділі: Психологія
В розділі: Цікаво знати
В розділі: Краса і Здоров'я
  • Цікаво знати
  • Сад і Город
  • Здоров'я
» » Що таке чорна дира ?

Що таке чорна дира ?

Категорія: Цікаво знати Переглядів: 4 236 Коментарів: 0 Додав: remo Час:



З усіх гіпотетичних об'єктів Всесвіту, передбачених науковими теоріями, чорні дири виробляють саме моторошне враження. І, хоча припущення про їх існування почали висловлюватися майже за півтора століття до публікації Ейнштейном загальної теорії відносності, переконливі свідчення реальності їх існування отримані зовсім недавно. 

Давайте почнемо з того, як загальна теорія відносності вирішує питання про природу гравітації. Закон всесвітнього тяжіння Ньютона стверджує, що між двома будь-якими масивними тілами у Всесвіті діє сила взаємного тяжіння. По причині такого гравітаційного тяжіння Земля обертається навколо Сонця. Загальна теорія відносності змушує нас поглянути на систему Сонце-Земля інакше. Згідно цієї теорії в присутності настільки масивного небесного тіла, як Сонце, простір-час як би продавлюється під його вагою, і рівномірність його тканини порушується. Уявіть собі еластичний батут, на якому лежить важка куля (наприклад, від боулінгу). Натягнута тканина прогинається під її вагою, створюючи навколо розрідження. Таким же чином Сонце продавлює час-простір навколо себе.


Згідно цій картині Земля просто катається навколо утвореної воронки (за винятком того, що маленька кулька, катається навколо важкої на батуті неминуче буде втрачати швидкість і по спіралі наближатися до великої). І те, що ми звично сприймаємо як силу земного тяжіння в нашому повсякденному житті, також є не що інше, як зміна геометрії простору-часу, а не сила в ньютонівському розумінні. На сьогодні більш вдалого пояснення природи гравітації, ніж дає нам загальна теорія відносності, не придумано.

А тепер уявіть, що станеться, якщо ми будемо - в рамках запропонованої картини - збільшувати і збільшувати масу важкої кулі, не збільшуючи при цьому його фізичних розмірів? Будучи абсолютно еластичною, воронка буде поглиблюватися доти, поки її верхні краї не зійдуться десь високо над важкою кулею, і тоді вона просто перестане існувати при погляді з поверхні. В реальному Всесвіті, нагромадивши достатню масу і щільність матерії, об'єкт зачинив навколо себе просторово-тимчасову пастку, тканина простору-часу змикається, і він втрачає зв'язок з рештою Всесвіту, стаючи непомітним для нього. Так виникає чорна дира.

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

У 1930-ті роки молодий індійський астрофізик Чандрасекара довів, що витративша ядерне паливо зірка скидає оболонку і перетворюється в повільно холонучого білого карлика лише в тому випадку, якщо її маса менше 1,4 мас Сонця. Незабаром американець Фриц Цвикки 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 виникло природне запитання - 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 знаходитися в інтервалі 1,5-3 Ms. Але навіть з приблизних обчислень Оппенгеймера і його аспіранта Джорджа Волкова випливало, що самі масивні нащадки наднових не стають нейтронними зірками, а переходять в якийсь інший стан. У 1939 році Оппенгеймер і Хартланд Снайдер на ідеалізованій моделі довели, що масивна коллапсірующа зірка стягується до своєї основи гравітаційного радіусу. З їх формул фактично випливає, що зірка на цьому не зупиняється, однак співавтори утрималися від такого радикального висновку.

09.07.1911 - 13.04.2008


Остаточна відповідь була знайдена у другій половині XX століття зусиллями цілої плеяди блискучих фізиків-теоретиків, у тому числі і радянських. Виявилося, що подібний колапс завжди стискає зірку «до упору», повністю руйнуючи її речовину. В результаті виникає сингулярність, «суперконцентрат» гравітаційного поля, замкнутий в нескінченно малому обсязі. У нерухомій дирі це точка, у обертовій - кільце. Кривизна простору-часу і, отже, сила тяжіння поблизу сингулярності прагнуть до нескінченності. В кінці 1967 року американський фізик Джон Арчибальд Уілер першим назвав такий фінал зоряного колапсу чорною дирою. 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 наводив на сумнівні асоціації).

Найважливіша властивість чорної дири - що б у неї не потрапило, назад воно не повернеться. Це стосується навіть світла, ось чому чорні дири і отримали свою назву: тіло, що поглинає все світло, що падає на нього, і не випускає власного здається абсолютно чорним. Відповідно до загальної теорії відносності, якщо об'єкт наближається до центра чорної дири на критичну відстань - це відстань називається радіусом Шварцшильда, - він вже ніколи не зможе повернутися назад. (Німецький астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916) в останні роки свого життя, використовуючи рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, розрахував гравітаційне поле навколо маси нульового обсягу.) Для маси Сонця радіус Шварцшильда становить 3 км, тобто, щоб перетворити наше Сонце в чорну диру, потрібно ущільнити всю його масу до розміру невеликого містечка!


Всередині радіусу Шварцшильда теорія передбачає явища ще більш дивні: всі речовина чорної дири збираються в нескінченно малу точку нескінченної щільності в самому її центрі - математики називають такий об'єкт сингулярним обуренням. При нескінченній щільності будь-яка кінцева маса матерії, математично кажучи, займає нульовий просторовий об'єм. Відбувається це явище реально всередині чорної дири, ми, природно, експериментально перевірити не можемо, оскільки все, що потрапило всередину радіусу Шварцшильда назад не повертається.

Не маючи, таким чином, можливості «розглянути» чорну диру в традиційному сенсі слова «дивитися», ми, тим не менше, можемо виявити її присутність за непрямими ознаками впливу її надпотужного і абсолютно незвичайного гравітаційного поля на матерію навколо неї.

Надмасивні чорні дири

У центрі нашого Молочного Шляху і інших галактик розташовується неймовірно масивна чорна дира в мільйони разів важче Сонця. Ці надмасивні чорні дири (таку назву вони отримали) були виявлені за спостереженнями за характером руху міжзоряного газу поблизу центрів галактик. Гази, судячи за спостереженнями, що обертаються на близькій відстані від надмассивного об'єкта, і прості розрахунки з використанням законів механіки Ньютона показують, що об'єкт, притягує їх, при мізерному діаметрі володіє жахливою масою. Так закрутити міжзоряний газ в центрі галактики може тільки чорна дира. Фактично астрофізики знайшли вже десятки таких масивних чорних дир у центрах сусідніх з нашою галактик, і підозрюють, що центр галактики - суть чорної дири.




Чорні діри з масою зіркової


Згідно з нашим нинішнім уявленням про еволюцію зірок, коли зірка з масою, що перевищує приблизно 30 мас Сонця, гине зі спалахом наднової, її зовнішня оболонка розлітається, а внутрішні шари стрімко падають до центра і утворює чорну дирку на місці витрачених запасів палива зірки. Ізольовану в міжзоряному просторі чорну диру такого походження виявити практично неможливо, оскільки вона перебуває в розрідженому вакуумі і ніяк не проявляє себе в плані гравітаційних взаємодій. Однак, якщо така дира входила до складу подвійної зоряної системи (дві гарячих зірки, що обертаються по орбіті навколо їх центру мас), чорна дира буде як і раніше надавати гравітаційний вплив на парну їй зірку. Астрономи сьогодні мають більше десятка кандидатів на роль зоряних систем такого роду, хоча строгих доказів не отримано щодо жодної з них.

В подвійній системі з чорною дирою в її складі речовина «живої» зірки буде неминуче «перетікати» в напрямку чорної дири. І закручуватися высмоктана чорною дирою речовина при падінні в чорну диру буде по спіралі, зникаючи при перетині радіусу Шварцшильда. При підході до фатальної межі, однак, засмоктувана у воронку чорної дири речовина буде неминуче ущільнюватися і розігріватися в силу почастішання зіткнень між засмоктуючими дірою частками, поки не розігріється до енергій випромінювання хвиль в рентгенівському діапазоні спектра електромагнітного випромінювання. Астрономи можуть виміряти періодичність зміни інтенсивності рентгенівського випромінювання такого роду і обчислити, зіставивши її з іншими доступними даними, приблизну масу об'єкта, «перетягуючого» на себе матерію. Якщо маса об'єкта перевищує межу Чандрасекара (1,4 маси Сонця), цей об'єкт не може бути білим карликом, в якого судилося виродитися нашому світилу. У більшості виявлених випадків спостереження подібних рентгенівських подвійних зірок масивним об'єктом є нейтронна зірка. Однак нараховано вже більше десятка випадків, коли єдиним розумним поясненням є присутність в подвійній зоряній системі чорної дири.

Всі інші типи чорних дир куди більш спекулятивні і засновані виключно на теоретичних дослідженнях - експериментальних підтверджень їх існування не є зовсім. По-перше, це чорні міні-дири з масою, порівнянної з масою гори і стислого радіуса протона. Ідею про їх зародження на початковій стадії формування Всесвіту відразу після Великого вибуху висловив англійський космолог Стівен Хокінг (див. Прихований принцип незворотності часу). Він припустив, що вибухами міні-дир можна пояснити справді загадковий феномен точених спалахів гамма-випромінювання у Всесвіті. По-друге, деякі теорії елементарних частинок передбачають існування у Всесвіті - на мікро-рівні - цього решета з чорних дир, що представляють собою свого роду піну з покидьків всесвіту. Діаметр таких мікро-дир, імовірно, становить близько 10-33 см - вони в мільярди разів дрібніше протона. На даний момент у нас немає яких-небудь надій на експериментальну перевірку навіть самого факту існування таких чорних дирок-частинок, не кажучи вже про те, щоб хоч якось дослідити їх властивості.



А що станеться з спостерігачем, якщо він раптом виявиться по ту сторону гравітаційного радіуса, інакше називається горизонтом подій. Тут починається сама дивна властивість чорних дир. Не дарма, говорячи про чорні дири, ми завжди згадували час, точніше простір-час. З теорії відносності Ейнштейна, чим швидше рухається тіло, тим більше стає його маса, але тим повільніше починає йти час! На малих швидкостях в нормальних умовах цей ефект непомітний, але якщо тіло (космічний корабель) рухається зі швидкістю близькою до швидкості світла, маса його збільшується, а час уповільнюється! При швидкості тіла рівної швидкості світла, маса звертається в нескінченність, а час зупиняється! Про це говорять строгі математичні формули. Повернемося до чорної дири. Уявімо собі фантастичну ситуацію, коли зореліт з космонавтами на борту наближається до гравітаційному радіусу або горизонту подій. Зрозуміло, що горизонт подій названий так тому, що ми може спостерігати які-небудь події (що взагалі-то спостерігати) тільки до цієї межі. Що за кордоном ми спостерігати не в змозі. Тим не менш, перебуваючи всередині корабля, що наближався до чорної дири, космонавти будуть почувати себе, як і раніше, тому що за їх годинах час буде йти «нормально». Космічний корабель спокійно перетне горизонт подій, і буде рухатися далі. Але оскільки швидкість його буде близька до швидкості світла, то до центру чорної дири космічний корабель досягне буквально за мить.

А для зовнішнього спостерігача космічний корабель просто зупиниться на горизонті подій, і перебуватиме там практично вічно! Такий парадокс колосального тяжіння чорних дир. Закономірне питання, а чи залишаться живі космонавти, що йдуть в нескінченність по годинах зовнішнього спостерігача. Ні. І справа зовсім не у величезному тяжінні, а в приливних силах, які у такого малого і масивного тіла сильно змінюються на малих відстанях. При рості космонавта 1 м 70 см приливні сили у його голови будуть набагато менші, ніж біля ніг, його просто розірве вже на горизонті подій. Отже, ми в загальних рисах з'ясували, що таке чорні дири, але мова поки що йшла про чорні дири зоряної маси. В даний час астрономам вдалося виявити надмасивні чорні дири, маса яких може становити мільярд сонць! Надмасивні чорні дири за властивостями не відрізняються від своїх менших побратимів. Вони лише набагато масивніші і, як правило, знаходяться в центрах галактик - зоряних островів Всесвіту. В центрі Нашої Галактики (Чумацький Шлях) теж є надмасивна чорна дира. Колосальна маса таких чорних дирок дозволять вести їх пошук не тільки в Нашій Галактиці, але і в центрах далеких галактик, що знаходяться на відстані мільйонів і мільярдів світлових років від Землі і Сонця. Європейські та американські вчені провели глобальний пошук надмасивних чорних дир, які, згідно сучасним теоретичним викладкам, повинні перебувати в центрі кожної галактики.

Сучасні технології дозволяють виявити наявність цих коллапсарів в сусідніх галактиках, але виявити їх удалося зовсім небагато. Значить, або чорні дирки просто ховаються в щільних газопылевых хмарах в центральній частині галактик, або вони знаходяться в більш віддалених куточках Всесвіту. Отже, чорні дири можна виявити по рентгенівському випромінюванню,  під час аккреції речовини на них, і щоб справити перепис подібних джерел, в навколоземний космічний простір були запущені супутники з рентгенівськими телескопами на борту. Займаючись пошуком джерел Х-променів, космічні обсерваторії «Чандра» (Chandra) і «Россі» (Rossi) виявили, що небо заповнене фоновим рентгенівським випромінюванням, і є в мільйони разів більш яскравим, ніж у видимих променях. Значна частина цього фонового рентгенівського випромінювання неба повинна виходити від чорних дир. Зазвичай в астрономії говорять про три типи чорних дир. Перший - чорні діри зоряних мас (приблизно 10 мас Сонця). Вони утворюються з масивних зірок, коли в тих закінчується термоядерне пальне. Другий - надмасивні чорні дири в центрах галактик (маси від мільйонів до мільярдів сонячних). І нарешті, первинні чорні дири, що утворилися на початку життя Всесвіту, маси яких невеликі (порядку маси великого астероїда). Таким чином, великий діапазон можливих мас чорних дир залишається незаповненим. Але де ці дири? Заповнюючи простір рентгенівськими променями, вони, тим не менш, не бажають показувати своє справжнє «обличчя». Але щоб побудувати чітку теорію зв'язку фонового рентгенівського випромінювання з чорними дирами, необхідно знати їх кількість. На даний момент космічним телескопам вдалося виявити лише невелика кількість надмасивних чорних дир, існування яких можна вважати доведеним. Непрямі ознаки дозволяють довести кількість спостережуваних чорних дир, відповідальних за фонове випромінювання, до 15%. Доводиться припускати, що інші надмасивні чорні дири просто ховаються за товстим шаром пилових хмар, які пропускають тільки рентгенівські промені високої енергії або ж знаходяться занадто далеко для виявлення сучасними засобами спостережень.


Надмасивна чорна дира (околиці) в центрі галактики M87 (рентгенівське зображення). Видно викид (джет) від горизонту подій. Зображення з сайту www.college.ru/astronomy

Пошук прихованих чорних дир - одна з головних задач сучасної рентгенівської астрономії. Останні прориви в цій області пов'язані з дослідженнями за допомогою телескопів «Чандра» і «Россі», тим не менш охоплюють лише низькоенергетичний діапазон рентгенівського випромінювання - приблизно 2000-20 000 електрон-вольт (для порівняння, енергія оптичного випромінювання - близько 2 електрон-вольт). Істотні поправки в ці дослідження може внести європейський космічний телескоп «Інтеграл» (Integral), який здатний проникнути в ще недостатньо вивчену область рентгенівського випромінювання з енергією 20 000-300 000 електрон-вольт. Важливість вивчення цього типу рентгенівських променів полягає в тому, що хоча рентгенівський фон неба має низьку енергетику, але на цьому тлі виявляються множинні піки (точки) випромінювання з енергією близько 30 000 електрон-вольт. Вчені ще тільки відкривають завісу таємниці того, що породжує ці піки, а «Інтеграл» - перший досить чутливий телескоп, здатний знайти подібні джерела рентгенівських променів. За припущенням астрономів, промені високої енергії породжують так звані Комптон-об'єкти (Compton-thick), тобто надмасивні чорні діри, оповиті пиловою оболонкою. Саме Комптон-об'єкти відповідальні за піки рентгенівського випромінювання в 30 000 електрон-вольт на полі фонового випромінювання.

Але, продовжуючи дослідження, вчені прийшли до висновку, що Комптон-об'єкти становлять лише 10% від того числа чорних дир, які повинні створювати піки високих енергій. Це - серйозна перешкода для подальшого розвитку теорії. Значить, ці рентгенівські промені постачають не Compton-thick, а звичайні надмасивні чорні дири? Тоді як бути з пиловими завісами для рентгенівських променів низької енергії.? Відповідь, схоже, криється в тому, що багато чорних дир (Комптон-об'єкти) мали достатньо часу, щоб поглинути весь газ і пил, які огортали їх, але до цього мали можливість заявити про себе рентгенівським випромінюванням високої енергії. Після поглинання всїх речовин такі чорні дири вже виявилися нездатними генерувати рентгенівське випромінювання на горизонті подій. Стає зрозуміло, чому ці чорні дири не можна виявити, і з'являється можливість віднести відсутні джерела фонового випромінювання на їх рахунок, так як хоча чорна дира вже не випромінює, але раніше створене їй випромінювання продовжує подорож по Всесвіту. Тим не менш, цілком можливо, що відсутні чорні дири більш приховані, ніж припускають астрономи, тобто те, що ми їх не бачимо, зовсім не означає, що їх немає. Просто поки у нас не вистачає потужності засобів спостережень, щоб побачити їх. Тим часом учені з NASA планують розширити діапазон пошуку прихованих чорних дир ще далі у Всесвіт. Саме там знаходиться підводна частина айсберга, вважають вони. Протягом декількох місяців дослідження будуть проводитися в рамках місії «Свіфт» (Swift). Проникнення в глибоку Всесвіт дозволить виявити приховані чорні дири, знайти відсутню ланку для фонового випромінювання та пролити світло на їх активність в ранню епоху Всесвіту.

Деякі чорні дири вважаються більш активними, ніж їх спокійні сусіди. Активні чорні дири поглинають навколишню речовину, а якщо в політ тяжіння потрапить «зазівавша» зірка, що пролітає повз, то вона неодмінно буде «з'їдена» варварським способом (розірвана на шматки). Речовина поглинається, падаючи на чорну диру, нагрівається до величезних температур, і відчуває спалах гамма, рентгенівського і ультрафіолетовому діапазоні. У центрі Чумацького Шляху так само знаходиться надмасивна чорна дира, але її важче вивчати, чим дирки в сусідніх або навіть далеких галактиках. Це пов'язано з щільною стіною газу і пилу, що встає на шляху центру Нашої Галактики, адже Сонячна система знаходиться майже на краю галактичного диска. Тому спостереження активності чорних дир набагато ефективніше у тих галактик, ядро яких добре проглядається. При спостереженні однієї з далеких галактик, розташованої в сузір'ї Волопаса на відстані 4-х мільярдів світлових років, астрономам вперше вдалося відстежити від початку і майже до кінця процес поглинання зірки супермассивною чорною дирою. Протягом тисяч років цей гігантський коллапсар тихо-мирно спочивав у центрі безіменної еліптичної галактики, поки одна з зірок не наважилась наблизитись до неї досить близько.

Потужна гравітація чорної дири розірвала зірку на частини. Згустки речовини почали падати на чорну диру і при досягненні горизонту подій, яскраво спалахувати в ультрафіолетовому діапазоні. Ці спалахи і зафіксував новий космічний телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, вивчає небо в ультрафіолеті. Телескоп і сьогодні продовжує спостерігати за поведінкою  об'єкта, тому трапеза чорної дири ще не закінчилася, а залишки зірки продовжують падати в безодню часу і простору. Спостереження таких процесів, зрештою, допоможуть краще зрозуміти, як чорні дири розвиваються разом з їхніми батьківськими галактиками (або, навпаки, галактики розвиваються з батьківською чорною дирою). Більш ранні спостереження показують, що подібні ексцеси не рідкість у Всесвіті. Вчені підрахували, що в середньому зірка поглинається надмасивною чорною дирою типової галактики один раз на 10000 років, але оскільки велика кількість галактик, то спостерігати поглинання зірок можна набагато частіше.



Сподобалася стаття. Натисніть на кнопки соцмереж і поділіться нею зі своїми друзями:
Ще цікавих матеріалів з нашого сайту:

Додати коментар
Ім'я:*
E-Mail:
b
i
u
s
|
left
center
right
|
emo
url
leech
color
|
hide
quote
translit
Введіть код: *