Чорна діра: що всередині? Цікаві факти та дослідження

Чорна діра: що всередині? Цікаві факти та дослідження

Чорні діри є одними з найдивовижніших об 'єктів нашого Всесвіту. Виникають вони в той момент, коли в зірках, що мають величезну масу, закінчується ядерне паливо. Ядерні реакції припиняються і світила починають остигати. Тіло зірки стискається під дією гравітації і поступово вона починає притягувати до себе більш дрібні об 'єкти, трансформуючись в чорну діру.

Перші дослідження

Вивчати чорні діри світила науки почали не так давно, незважаючи на те що основні концепції їх існування були розроблені ще в минулому столітті. Саме поняття "чорної діри" було введено в 1967 році Дж. Віллером, хоча висновок про те, що ці об 'єкти неминуче виникають при колапсі масивних зірок, був зроблений ще в 30-х роках минулого століття. Все, що всередині чорної діри - астероїди, світло, поглинені нею комети, - колись наблизилося занадто близько до меж цього загадкового об 'єкта і не зуміло їх покинути.

Межі чорних дір

Перша з меж чорної діри називається межею статичності. Це межа області, потрапляючи в яку сторонній об 'єкт вже не може перебувати в стані спокою і починає обертатися відносно чорної діри, щоб утриматися від падіння в неї. Друга межа називається горизонтом подій. Все, що всередині чорної діри, колись проходило її зовнішній кордон і рухалося у напрямку до точки сингулярності. На думку вчених, тут речовина вливається в цю центральну точку, щільність якої прагне до значення нескінченності. Люди не можуть знати, які закони фізики діють всередині об 'єктів з такою щільністю, і тому описати характеристики цього місця неможливо. У буквальному сенсі слова воно є "чорною дірою" (або, можливо, "прогалиною") у знаннях людства про навколишній світ.

Будова чорних дір

Горизонтом подій називається неприступна межа чорної діри. Усередині цього кордону знаходиться зона, яку не можуть покинути навіть об 'єкти, швидкість руху яких дорівнює швидкості світла. Навіть кванти самого світла не можуть покинути горизонт подій. Перебуваючи в цій точці, ніякий предмет вже не може вирватися з чорної діри. Про те, що всередині чорної діри, ми не можемо дізнатися за визначенням - адже в її глибинах знаходиться так звана точка сингулярності, яка формується за рахунок граничного стиснення речовини. Коли об 'єкт потрапляє всередину горизонту подій, з цього моменту він ніколи не зможе вирватися знову з неї і стати видимим для спостерігачів. З іншого боку, ті, хто знаходиться всередині чорних дір, не можуть бачити нічого з того, що відбувається зовні.

Розмір горизонту подій, що оточує цей загадковий космічний об 'єкт, завжди прямо пропорційний масі самої діри. Якщо її маса буде подвоєна, то вдвічі більше стане і зовнішній кордон. Якби вчені змогли знайти спосіб, що дозволяє перетворити Землю на чорну діру, то розмір горизонту подій становив би всього лише 2 см у поперечному розрізі.

Основні категорії

Як правило, маса середньостатистичних чорних дір приблизно дорівнює трьом сонячним масам і більше. З двох видів чорних дір виділяють зоряні, а також надмасивні. Їх маса перевершує масу Сонця в кілька сотень тисяч разів. Зоряні утворюються після смерті великих небесних світил. Чорні діри звичайної маси з 'являються після завершення життєвого циклу великих зірок. Обидва види чорних дір, незважаючи на різне походження, мають схожі властивості. Надмасивні чорні діри розташовані в центрах галактик. Вчені припускають, що вони сформувалися в часи утворення галактик за рахунок злиття щільно прилеглих один до одного зірок. Однак це тільки здогадки, не підтверджені фактами.

Що всередині чорної діри: припущення

Деякі математики вважають, що всередині цих загадкових об 'єктів Всесвіту знаходяться так звані червоточини - переходи в інші Всесвіти. Іншими словами, в точці сингулярності розташований просторово-часовий тунель. Ця концепція послужила джерелом натхнення для багатьох письменників і режисерів. Однак переважна більшість астрономів вважають, що жодних тунелів між Всесвітами не існує. Однак навіть якщо б вони дійсно були, у людини немає ніяких способів дізнатися, що знаходиться всередині чорної діри.

Існує й інша концепція, згідно з якою в протилежному кінці такого тунелю знаходиться біла діра, звідки з нашого Всесвіту в інший світ через чорні діри надходить гігантська кількість енергії. Однак на даному етапі розвитку науки і техніки про подорожі подібного роду не може бути й мови.

Зв 'язок з теорією відносності

Чорні діри є одним з найдивовижніших передбачень А. Ейнштейна. Відомо, що сила тяжіння, яка створюється на поверхні будь-якої планети, назад пропорційна квадрату її радіусу і прямо пропорційна її масі. Для цього небесного тіла можна визначити поняття другої космічної швидкості, яка необхідна, щоб подолати цю силу тяжіння. Для Землі вона дорівнює 11 км/с. Якщо ж маса небесного тіла буде збільшуватися, а діаметр - навпаки, зменшуватися, то друга космічна швидкість з часом може перевищити швидкість світла. І оскільки, згідно теорії відносності, ніякий об 'єкт не може рухатися швидше швидкості світла, то утворюється об' єкт, що не дає нічому вирватися за його межі.

У 1963 році вчені виявили квазари - космічні об 'єкти, що є гігантськими джерелами радіовипромінювання. Вони дуже далеко від нашої галактики - їх віддаленість становить мільярди світлових років від Землі. Щоб пояснити надзвичайно високу активність квазарів, вчені ввели гіпотезу про те, що всередині них розташовуються чорні діри. Ця точка зору зараз є загальноприйнятою в наукових колах. Дослідження, які проводилися протягом останніх 50 років, не тільки підтвердили дану гіпотезу, але і привели вчених до висновку про те, що чорні діри є в центрі кожної галактики. У центрі нашої галактики також є такий об 'єкт, його маса становить 4 мільйони сонячних мас. Ця чорна діра носить назву "Стрілець А", і оскільки вона розташована найближче до нас, її найбільше досліджують астрономи.

Випромінювання Гокінга

Цей тип випромінювання, відкритий відомим фізиком Стівеном Гокінгом, значно ускладнює життя сучасним вченим - адже через це відкриття в теорії чорних дір з 'явилося чимало труднощів. У класичній фізиці існує поняття вакууму. Цим словом позначається повна порожнеча і відсутність матерії. Однак з розвитком квантової фізики поняття вакууму було видозмінено. Вчені з 'ясували, що він заповнений так званими віртуальними частинками - під впливом сильного поля вони можуть перетворитися на реальні. У 1974 році Гокінг з 'ясував, що подібні перетворення можуть відбуватися в сильному гравітаційному полі чорної діри - біля її зовнішнього кордону, горизонту подій. Таке народження є парним - з 'являється частинка і античастинка. Як правило, античастинка приречена на падіння в чорну діру, а частинка відлітає. У результаті вчені спостерігають деяке випромінювання навколо цих космічних об 'єктів. Воно і отримало назву випромінювання Гокінга.

В ході цього випромінювання та речовина, що всередині чорної діри, повільно випаровується. Дірка втрачає масу, при цьому інтенсивність випромінювання назад пропорційна величині квадрата її маси. Інтенсивність випромінювання Гокінга мізерно мала за космічними мірками. Якщо припустити, що існує діра масою в 10 сонць, і на неї не потрапляє ні світло, ні будь-які матеріальні об 'єкти, то навіть у цьому випадку час її розпаду буде жахливо великий. Життя такої діри буде перевершувати весь час існування нашого Всесвіту на 65 порядків.

Питання щодо збереження інформації

Однією з основних проблем, яка з 'явилася після відкриття випромінювання Гокінга, є проблема втрати інформації. Пов 'язана вона з питанням, що здається на перший погляд дуже простим: що станеться, коли чорна діра випарується повністю? Обидві теорії - як квантова фізика, так і класична - мають справу з описом стану системи. Володіючи інформацією про початковий стан системи, за допомогою теорії можна описати, яким чином вона буде змінюватися.

При цьому в процесі еволюції інформація про початковий стан не втрачається - діє свого роду закон про збереження інформації. Але якщо чорна діра випарується повністю, то спостерігач втрачає інформацію про ту частину фізичного світу, який колись потрапив у діру. Стівен Гокінг вважав, що інформація про початковий стан системи якимось чином відновлюється після того, як чорна діра випарувалася повністю. Але трудність полягає в тому, що за визначенням з чорної діри передача інформації неможлива - ніщо не може покинути горизонт подій.

Що буде, якщо потрапиш у чорну діру?

Вважається, що якби якимось неймовірним способом людина могла потрапити на поверхню чорної діри, то вона відразу стала б її затягувати в напрямку себе. Зрештою людина б розтягнулася настільки, що перетворилася б на потік субатомних частинок, що рухаються у напрямку до точки сингулярності. Довести цю гіпотезу, зрештою ж, неможливо, адже вчені навряд чи коли-небудь зможуть дізнатися, що відбувається всередині чорних дір. Зараз деякі фізики заявляють, що якби людина потрапила в чорну діру, то у неї з 'явився б клон. Перша з його версій відразу ж була б знищена потоком розпечених частинок випромінювання Гокінга, а друга б пройшла через горизонт подій без можливості повернутися назад.