Чорна діра
Чорна діра — астрофізичний об'єкт, який створює настільки велику силу тяжіння, що жодні, як завгодно швидкі частинки, не можуть покинути його поверхню, в тому числі світло.
Сам термін був придуманий Джоном Арчибальдом Вілером в кінці 1967 року і вперше застосований в публічній лекції «Наш Всесвіт: відоме і невідоме (Our Universe: the Known and Unknown)» 29 грудня 1967 року.
Загальна теорія відносності передбачає, що достатньо компактна маса буде деформувати простір-час, утворюючи чорну діру. Навколо чорної діри існує математично визначена поверхня, що називається горизонтом подій, яка визначає точку, з якої вже немає повернення. Вона називається «чорною», тому що поглинає все світло, що потрапляє на горизонт, нічого не відбиваючи, подібно абсолютночорному тілу в термодинаміці. Квантова механіка передбачає, що чорні діри випромінюють подібно чорному тілу зі скінченноютемпературою. Ця температура обернено пропорційна до маси чорної діри, роблячи важкими спостереження цього випромінювання для чорних дір зоряних мас та вище.
Об'єкти, поле гравітації яких настільки сильне для світла, що воно не здатне вирватися, були вперше розглянуті у 18 столітті Джоном Мічеллом та П'єром-Симоном Лапласом. Карл Шварцшильд, видатний німецький фізик, був першим, хто запропонував розв'язок рівняньзагальної теорії відносності, що може характеризувати чорну діру, у 1916 році. Його розв'язок базувався на інтерпретації чорної діри як області простору, з якої ніщо не може втекти. Ця пропозиція настільки випередила свій час, що вона не була повністю оцінена впродовж наступних чотирьох десятиліть. Компактні об'єкти, що утворилися внаслідок гравітаційного колапсу, стали нарешті достовірною астрофізичною реальністю після відкриття нейтронних зір у середині 60-х. Представляючи собою математичний інтерес, теоретичні роботи численних відомих астрофізиків впродовж цієї ери показали, що чорні діри є передбаченням загальної теорії відносності, що з необхідністю слідує з неї.
Очікується, що чорні діри зоряних мас утворюються, коли у зорі масою більше 10 мас Сонця закінчується паливо. Це призводить до скидання зовнішніх шарів газу при вибуху наднової. Ядро зорі колапсує і стає надгустим, так що навіть атомні ядра стискаються разом. Густина енергії у ядрі при цьому прямує до нескінченності. Після того, як чорна діра утворилася, вона може продовжувати рости, абсорбуючи масу зі свого оточення. Абсорбуючи інші зорі та зливаючись з іншими чорними дірами, можуть утворитися надмасивні чорні діри з масами порядку мільйонів мас Сонця. Загальноприйнято, що надмасивні чорні діри існують в центрах більшості галактик. Зокрема, є беззаперечний доказ існування чорної діри масою більше 4 мільйонів мас Сонця у центрі нашої Галактики.
Незважаючи на невидимість структури, присутність чорної діри може бути виявлена через її взаємодію з іншою матерією, світлом або іншим електромагнітним випромінюванням. Із зоряних рухів може бути обчислена маса та положення невидимого компонента. Було відкрито близько шести подвійних зоряних систем, в яких одна з зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму зорю обертатися навколо їх спільного центру мас. Таким чином, ці невидимі зорі є добрими кандидатами у чорні діри. Астрономи ідентифікували численні кандидати у чорні діри зоряних мас у подвійних системах, вивчаючи рух їх компаньйонів таким чином.
Гравітаційний колапс
Процес стиску, при якому сили тяжіння збільшуються, називається гравітаційним колапсом. При такому процесі Сонце може стиснутися до точки всього за 29 хвилин.
Продовжуючи тему, задамо питання: „Чи можемо ми спостерігати хід цієї драматичної події до кінця?” Виявляється, що ні. Тяжіння у відповідності зі своїм диктаторським характером накладає заборону на будь-які сигнали, що виходять на поверхню і несуть інформацію про те, що Сонце стиснулось в точку.
Подивимося, чому це так. Звернемося спочатку до тої сили тяжіння, яку ми відчуваємо на Землі. Будь-який предмет, кинутий в повітря, все одно повернеться на поверхню Землі під дією її тяжіння.
Чи означає це, що не можна покинути поверхню Землі? Розрахунки показують, що предмет може назавжди покинути Землю, якщо він кинутий з деякою мінімальною швидкістю. Ця швидкість називається швидкістю тікання і рівна 11,2 км/с (більше 40000 км/с). Те, що швидкість тікання має велике значення, пояснює, чому предмети падають на Землю.
Формула, що визначає швидкість тікання, досить проста. Якщо ми хочемо дізнатися швидкість тікання v з поверхні будь-якого астрономічного тіла масою m і радіусом R, треба використати формулу
v=(2Gm/R)½.
Так, для Місяця ця формула дає: m=7,35·1022 кг, R=1738 км, і якщо взяти G=6,66·10-8 од. СГС, то отримаємо v=2,38 км/с. Швидкість утікання з поверхні Місяця менше, ніж з поверхні Землі.
Формула дає ключ до розуміння забороняючих властивостей чорної діри. Уявімо, що відбувається з масивним тілом, коли воно зменшується в розмірах під дією сили тяжіння. Його маса залишається постійною, а радіус зменшується. При радіусі зірки, рівному 10 радіусам Сонця, швидкість швидко росте і досягає значення швидкості світла
с=300000 км/с
при радіусі порядку 30 км. Таким чином, якщо тіло стиснеться до розмірів ще менше цього, то навіть світло на зможе покинути його поверхню.
Так як світло є найшвидшим переносником інформації від астрономічного тіла, ясно, що зовнішній спостерігач буде позбавлений будь-якої інформації про об’єкт, як тільки тіло стиснеться в середину сфери критичного радіуса
R=2Gm/c2.
Для об’єкта, який в 10 разів масивніше, ніж Сонце, цей радіус рівний приблизно 30 км. Еддінгтон говорив, що гравітація стане „достатньо сильною, щоб утримати випромінювання”, і тому ми не зможемо побачити стиск Сонця в точку в нашому експерименті.
Чорні діри з точки зору загальної теорії відносності
Загальна теорія відносності розглядає тяжіння, як прояв геометрії простору. Під геометрією, розуміється предмет, що має справу з виміром довжин і кутів різних фігур у просторі. Та геометрія, яку ми вивчаємо в школі, пов’язана з іменем грецького математика Евкліда, що жив 23 століття тому. Книга Евкліда починається з набору аксіом і потім розвивається вся структура геометрії за допомогою ряду теорем, що засновані на постулатах.
Довгий час математики вважали, що евклідова геометрія єдина у тому розумінні, що не може бути іншої геометрії, що заснована на інших аксіомах. Згодом ряд видатних математиків – Лобачевский, Больян, Гаусс, Ріман – привели приклади нової геометрії, яка логічно побудована.
Ейнштейн в 1915 р. вперше запропонував теорію, в якій геометрія простору і часу, що містить згустки речовини і енергії, була неевклідовою. Ця теорія, що отримала назву загальної теорії відносності, дозволила отримати рівняння, що зв’язують неевклідову геометрію та розподіл енергії. Визначили, що чим сильніша концентрація речовини і енергії в даній області, тим сильніше правила геометрії в цій області відхиляються від евклідових.
Так як теорія Ейнштейна стосується і часу, то змінюється процедура його виміру. Годинник поблизу масивного тіла буде іти повільніше, ніж далі від нього.
Значення цього бар’єру вперше стало відомим із рівняння Ейнштейна, яке розв’язав Карл Шварцшильд в 1916 р.
Таким чином, в співвідношенні неможливості зв’язку з чорною дірою ця теорія робить ще сильніше твердження. Не тільки світло не може дістатися до зовнішнього спостерігача, але й уповільнення часу на поверхні об’єкта приводить до того, що спостерігач ніколи не доживе до моменту перетворення об’єкта в чорну діру.
Теорії, які були доведені в 60-х роках в рамках загальної теорії відносності Роджером Пенроузом, Стівеном Гоукінгом, Робертом Горохом, стверджують, що ніякі відомі фізичні сили не можуть зупинити колапс об’єкта в точку. В точковому стані густина речовини стає безкінечною. Неевклідова геометрія поблизу колапсуючого тіла набуває більш дивних риси, і не піддається математичному опису. Такий кінцевий стан називають сингулярним, і вважається, що тут настає кінець всього фізичного опису.
Цей стан прихований від людського ока зовнішнього спостерігача. Але для того, хто знаходиться поблизу цього об’єкта кінець стає реальністю. Він наступає досить швидко. Іншими словами, хоча спостерігач зовні знаходиться в невідомості щодо того, що відбувається в чорній дірі, для спостерігача поблизу неї кінець є жорстокою реальністю.
Пошук чорних дір
Об’єкт, який за означенням не можна бачити, нелегко й знайти. Як же астрономи шукають чорні діри?
Звичайно їх не можна побачити за допомогою телескопів. Але можна використати непрямі методи, які пов’язані з гравітаційними ефектами, які викликає чорна діра в оточуючій речовині.
Ідеальні в цьому плані є подвійні зірки. В такій ситуації спостерігач бачить періодичну зміну положення зірок в просторі. Через певний проміжок часу вони знову повертаються у вихідне положення.
Припустимо, що зірки достатньо близькі одна до одної в тій мірі, що відстань не дуже перевищує суму їх радіусів. Коли зірки так близько, вони намагаються відірвати частину речовини з поверхні сусідки.
Така взаємодія носить назву припливної взаємодії. Вона аналогічна тим силам, що народжуються між Місяцем і Землею, і викликають припливи і відпливи.
Якщо одна з зірок – це гігант, а інша – чорна діра. Тоді речовина буде перетікати від гіганта до діри. Але не навпаки. Такий неперервний цикл утворює дископодібну структуру, яка може простягатися навколо чорної діри на великі відстані. Так як падаюча речовина – це гарячий газ, то він випромінює рентгенівські промені.
Крім подвійних систем, чорні діри досліджувалися теоретиками з різних точок зору. Чорна діра збирає на себе навколишню речовину і може стати джерелом великої енергії. Якщо масивна чорна діра масою в мільйони сонячних мас обертається навколо своєї осі, то вона буде збирати навколишню речовину в товстий диск акреції, який буде сильно випромінюватися. Багато хто вважає, що таке джерело є квазаром – об’єктом за межами нашої галактики.
Приклад з квазаром ілюструє важливість гравітації як резервуара з енергією. Світність їх набагато більша, ніж у зірок, але розміри компактніші. Цим потребам і відповідають чорні діри.
Будь-яка нова ідея науки повинна задовольняти 2 умови:
вона повинна пояснювати факти, що спостерігаються;
повинна бути можливість пояснити, що дані факти не підлягають іншому поясненню.
В сучасному стані здається, що ідея існування чорних дір прекрасно задовольняє ці критерії.
Немає коментарів:
Дописати коментар