Чорні діри. Чому вони чорні і як їх взагалі знаходять?

Чорні діри – одні з найзагадковіших об’єктів Всесвіту. Розберемося разом, що це таке і чому їх так складно виявити, буде багато цікавої інформації картинок і

Що таке чорна діра

Чорна діра– це область простору-часу з настільки сильною гравітацією, що вона засмоктує все навколо, в тому числі і світло. Насправді, чіткого визначення “що таке чорна діра” не існує, всі вони так чи інакше розрізняються.

Наприклад, ще можна дати визначення чорної діри як максимально компактного об’єкта, який не демонструє ніяких властивостей поверхні. Розмір цього об’єкта відповідає радіусу Шварцшильда – відстані від центру цього тіла до горизонту подій.

Горизонт подій – це так звана “точка неповернення”, ну або по простому – кордон чорної діри, при перетині якої повернутися назад вже не вийде.

Для кожного об’єкта існує свій радіус Шварцшильда, який можна порахувати. Якщо стиснути будь-який предмет до цього радіуса, він перетвориться на чорну діру.

Наприклад, якщо стиснути Сонце, щоб воно стало чорною дірою, його радіус склав би всього 3 км, при початкових 700 тис. км. Ну, або чорна дірка з масою, що дорівнює масі Землі, мала б радіусом Шварцшильда близько 9мм (тобто Земля могла б стати чорною дірою, якби щось змогло її стиснути до такого розміру).

Саме словосполучення “чорна діра” – це просто вдало придумана назва. Зазвичай, в науці приживається якесь словосполучення саме тому, що воно зручне. Діра – тому що, якщо щось туди потрапило, то не зможе вибратися назад. Чорна – тому, що сам по собі об’єкт практично нічого не випромінює. Якщо уявити собі порожню Всесвіт і помістити туди чорну діру – то її неможливо буде побачити. Вона нічим не виділяється на тлі цієї чорноти.

Чорні діри впливають на простір і час

Всі сучасні теорії гравітації – геометричні. У них, гравітація описується як властивість простору і часу. Мається на увазі, що між простором і часом можна скласти рівняння, тобто ці величини взаємопов’язані.

Згідно теорії відносності Ейнштейна, простір і час об’єднані в певну сутність. Абсолютно будь-які тіла, не тільки масивні, але і найменші – викривляють простір навколо себе і одночасно впливають на хід часу. Сучасними приладами ми можемо визначити, що в різних місцях час може йти по різному.

Можна сказати, що чорна діра – це об’єкт, але насправді, – об’єкт, це щось має поверхню, те, що можна помацати. Якщо йти за абсолютно темній кімнаті, можна наткнутися на стілець – ця точка дотику (може і не дуже приємна) – буде об’єктом з початком в конкретній точці. А ось якщо потрапити в чорну діру, в такий же, абсолютно темній кімнаті, то ви не помітите її кордон, тому що у неї немає ніякої твердої поверхні, немає відчутної кордону, ви просто відразу опинитеся всередині неї, вп і все.

Виходить, що чорна діра – це область, де величезна кількість маси згорнуло простір-час, і ніякі предмети, що потрапили в неї – не зможуть її залишити. Все, що туди потрапило, назавжди залишиться за горизонтом подій, це точка неповернення.

Яким чином можна виявити чорну діру?

Якщо чорна діра знаходиться поруч із зіркою, вона буде “поглинати” зірку своєю гравітацією, засмоктуючи її речовина. Так як зірки складаються з газу, під час “поглинання” різні шари газу труться один об одного і нагріваються до мільйонів градусів – ось тоді-то, це тепло стає видимим для нас. За допомогою такого способу на початку 70-х років, коли почали запускати перші рентгенівські детектори в космос, відкрили і перші чорні діри.

На початку 60-х років з’явилося визначення “квазар”. Дослівно– «схожий на зірку радиоисточник».

Квазар – клас астрономічних об’єктів, які є одними з найяскравіших (в абсолютному обчисленні) видимої Всесвіту.

Це активні ядра галактик на початковому етапі розвитку, в центрі яких знаходяться надмасивні чорні діри. Виявити їх можна навіть на дуже великих відстанях. Квазари є виключно потужним джерелом випромінювання (іноді в десятки і сотні разів перевищує сумарну потужність всіх зірок таких галактик як наша). Коли вчені відкривають квазар – виходить, що вони відкривають і чорну діру, так як вона є його центром.

Є й інший спосіб виявлення. Чорна діра сильно спотворює простір-час навколо себе. Але тут важлива не тільки маса, але і розмір об’єкта (сама сингулярність дуже маленька), з-за того, що чорні дірки невеликі (у рамках космосу) і дуже важкі, виникає ефект “гравітаційної лінзи”. Чорна діра своїм гравітаційним полем буде змінювати напрямок поширення світла (електромагнітного випромінювання). Якщо джерело світла, масивний линзирующий об’єкт і спостерігач розташовані на одній прямій, джерело світла буде видно як кільце навколо масивного об’єкта. Ось вам реальний знімок:

Сфотографована телескопом «Хаббл» т. зв. «космічна підкова» – гігантська еліптична галактика, линзирующая карликову галактику

Уявіть приклад: вчені ведуть спостереження за зіркою і раптом помічають, що блиск від неї посилюється, а через якийсь час абсолютно симетрично спадає назад. Із зіркою нічого не сталося, але, судячи з усього, між нами і зіркою пролетіло важезну тіло. І це саме тіло, спотворюючи простір-час, зібрало світлові промені.

Тому, спостерігачеві здається, ніби світність зірки зросла, а насправді, просто більша частина її світла була зібрана і потрапила до нас на огляд. Щоб так спотворити світло, нам потрібен дуже важкий об’єкт – наприклад, зірка з масою десяти мас Сонця, але таку зірку ми б відразу помітили – вона була б дуже яскравою. А у нас з’явився абсолютно чорний об’єкт, як раз приблизно з такою масою, що б це могло бути? Ось так ми її і виявили, сподіваюся зрозуміло пояснив.

Перейдемо до останнього ефективного способу пошуку чорних дір. Якщо дві чорні діри знаходяться поруч, то, зливаючись, вони будуть породжувати гравітаційно-хвильовий сплеск. У 2015 році вперше були виявлені такі сплески гравітаційного випромінювання. Ось приклад такого злиття, правда зірок:

Для зрозумілості, сама проста аналогія для чорної зірки – це людина невидимка. Самої людини не видно, але якщо він на себе одягає одяг – її ми бачимо без проблем. Можемо облити його фарбою або обдати з вогнегасника – загалом, якось позначити – тоді він стає помітний. Ну от з чорними дірами виходить приблизно також. Дослідники не бачать де знаходиться горизонт подій, і тим більше, не бачать що знаходиться за ним, оскільки від туди не повертається нічого, навіть світло. Але вони можуть вивчати і помічати поведінка речовини навколо.

Взагалі, те, що зазвичай називають зображенням або чорної діри, насправді – зображення речовини, що рухається навколо чорної діри. Але в його центрі, дійсно виникає темна область, оскільки там знаходиться чорна діра, яка не може випускати світло. Ось вам перша у світі реальна чорної діри:

В більшості своїй – чорні діри – це маленькі об’єкти, що знаходяться від нас на величезній відстані. Розгледіти чорноту всередині яскравої області вдалося поки що лише в одному випадку. Для гарного знімка потрібна була найбільша чорна діра в центрі відносно близькій галактики, але проблема ще і в тому, як одержати зображення з достатньою деталізацією?

Жоден телескоп не зможе сам по собі зробити таке зображення. Але, якщо поєднати різні телескопи і вони будуть знаходиться на великій відстані один від одного, то, з точки зору деталей, вони будуть працювати як єдине ціле – один великий телескоп. Саме так, за допомогою декількох телескопів, розташованих майже по всій планеті, вийшло зробити знімок чорної діри в галактиці M87. Це єдина зроблена.