Чорні діри – монстри, искривляющие простір-час, і творці всесвіту
Чорні діри є найбільш таємничими і загадковими об’єктами. З одного боку, вони знищують зірки і речовина, а з іншого, – сприяють їх формуванню. Що ж це таке? Для опису чорних дір необхідно використовувати загальну теорію відносності Ейнштейна, оскільки фізика Ньютона тут не працює. Згідно з оцінками астрофізиків, такі об’єкти виникають в результаті спалаху наднових великих зірок, маса яких принаймні в три і більше разів перевершує масу Сонця. Разом з тим не заперечується факт виникнення таких об’єктів у системах подвійних зірок. У цьому випадку утворився білий карлик може відібрати досить велику масу зірки-компаньйона. Тоді спалах наднової протікає за сценарієм II типу і призведе вже до утворення чорної діри, а не нейтронної зірки.
Карл Шварцшильд, виходячи з рівнянь Ейнштейна, отримав критичний рівень розміру коллапсирующего об’єкта, відомого як гравітаційний радіус, названий на його честь. У разі, якщо зірка досягає цього радіуса, то вже ніщо не зможе зупинити колапс, що призводить до замикання простору. Так як у фізиці Ейнштейна гравітація – це не сила, а кривизна простору, то воно розглядається не як протяжна порожнеча, що характерно для класичної фізики, а як жорстка і пружна середовище, яка може викривлятися і деформуватися. Математичне рівняння показує, що гравітаційний радіус нашої планети дорівнює 3 мм, тоді як для Сонця, що має діаметр 1,4 млн км, він становить 3 км. Замикання простору призводить до того, що ні світло, жоден об’єкт не може вийти за його межі, тому для зовнішнього спостерігача побачити чорну діру неможливо, і виникає резонне питання, як же їх тоді виявити?
Руффіні і Уїллер припустили, що коллапсірующая зірка повинна випромінювати гравітаційні хвилі, породжувати брижі простору, змінюючи його геометрію. Зірки, як правило, обертаються, і при стисненні за рахунок зменшення розмірів їх швидкість різко збільшується, що призводить до викиду речовини, породжуючи гравітаційні хвилі.
Різкі деформації простору можуть виникнути при зіткненні чорних дір. Це припущення було підтверджено в 2019 році в експериментах на лазерному інтерферометрі LIGO, що зафіксував гравітаційні хвилі, які поширилися після зіткнення двох чорних дір.
Радянськими вченими було запропоновано метод виявлення чорної діри по широкому спектру випромінювання при падінні на неї речовини. Падаюча матерія закручується навколо чорної діри, утворюючи свого роду аккреційний диск, що лежить вище гравітаційного радіуса, і випромінювання з цієї області може залишати чорну діру. Існують і інші способи виявлення чорних дір, наприклад, по спотворенню орбіт рухомих зірок, спалахів масивних чорних дір при руйнуванні і падінні на них зоряного речовини у разі гравітаційного захоплення.
Що ж буде відбуватися з об’єктом, наприклад, дослідницьким зондом при зближенні з чорною дірою? По мірі наближення до гравітаційному радіусу сигнали, що посилаються зондом, будуть поділяти всі більш тривалі проміжки часу, так як викривлення простору поблизу чорної діри уповільнює для об’єкта хід часу. При його досягненні сигнал від супутника не прийде ніколи. При наближенні до гравітаційному радіусу об’єкта, він розвалюється на елементарні частинки з подальшим падінням в чорну діру, прямуючи в сингулярність. Представлений сценарій характерний для необертових сферичних і відносно невеликих чорних дір. Між тим майже всі об’єкти у Всесвіті обертаються.
У 1963 році Керру вдалося отримати рішення рівнянь Ейнштейна і для обертових об’єктів. Було показано, що, хоча чорна діра і стискається, вона не обов’язково досягне сингулярності. Більше того, виявилося, що обертається чорна діра може виявитися ланкою, що зв’язує нас з іншими всесвітами. Вітчизняний фізик Н. С. Кардашев показав, що масивні чорні діри можна використовувати як машини часу. Якщо чорна діра володіє величезною масою, сумірною з масою галактики, то тоді її розміри будуть завбільшки з Сонячну систему. У цьому випадку градієнт кривизни настільки малий, що в неї абсолютно безпечно можна влетіти по заздалегідь розрахункової траєкторії. При цьому перед мандрівником відкриється майбутнє Всесвіту, за рахунок жахливого уповільнення часу при виході з чорної діри він виявиться на мільярди років від часу входу. Інше рішення рівнянь Шварцшильдом вказує на зв’язок чорної діри з нашого Всесвіту, і вона може здійснювати переміщення в просторі нашого світу.
Де ж знаходяться масивні чорні діри, і як вони утворилися? Спочатку вважалося, що ці об’єкти з’явилися в результаті колапсу величезної кількості зірок, що знаходяться у галактичному ядрі, так як зірки там розташовуються дуже близько один до одного. В даний час більшість вчених дотримується точки зору, згідно з якою великі чорні діри народилися в ранній Всесвіту, коли з’явилися великі водневі хмари. Зірки в цій юній Всесвіту були відсутні. Стиснення величезних скупчень водню і призвело до виникнення в їх центрах масивних чорних дір. Саме вони, завдяки своїй гравітації, викликали фрагментацію водневих хмар і призвели до виникнення першого покоління зірок в галактиках. Так що, якщо б не було чорних дір, не було б ні зірок, ні атомів, ні планетних систем. Нещодавно телескоп «Габл» виявив чорну діру, стимулюючу утворення зірок. Вчені вважають, що кілька мільйонів років тому потік гарячого газу врізався і розтікся від зіткнення з чорною дірою. Після зіткнення в газовому потоці почався процес зореутворення. Вперше зображення чорної діри з її аккреційним диском було отримано в результаті роботи відразу декількох телескопів у 2021 році. Так вдалося сфотографувати надмасивну чорну діру в центрі галактики М87.
Випаровування чорних дір досить тривалий процес. Так, середні по масі чорні дірки, що виникли, як правило, в результаті еволюції зірок, живуть від 10 до 30 ступеня до 10 у 60 ступеня років. Надмасивні чорні діри можуть існувати до 10 в 120 ступеня років. Особливий інтерес представляють мікрочорні діри, що утворилися в самій ранній стадії еволюції Всесвіту в момент Великого вибуху. Ймовірно, більшість цих об’єктів вже зникло за час існування Всесвіту, але можливо деякі з них збереглися і до наших днів. Мікрочорні діри вже найближчим часом можуть бути отримані на земних прискорювачах, і їх вивчення допоможе відкрити багато таємниць Всесвіту. А поки італійські дослідники Міжнародної школи перспективних дослідників SISSA знайшли новий підхід до визначення кількості чорних дір і прийшли до висновку, що їх кількість у Всесвіті становить 40 квінтильйонів, і це приблизно 1% від загальної матерії.