Ці яскраві «чорні дірки»
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Відкриття на кінчику пера. Колись вони потрясали. Класичний приклад таких відкриттів — обчислення орбіт двох самих далеких планет Сонячної системи — Нептуна і Плутона. Цей приклад досі прийнято приводити, як тільки мова заходить про значення теоретичного методу. Сьогодні ми розповімо ще про одне теоретичне пророкування, яке загрожує стати реальністю. Про «чорні дірки», або сколапсуючі тіла. Колапс був передбачений загальною теорією відносності А. Ейнштейна. Колапс — це стиснення великої маси під дією власного поля гравітації. «Чорна діра» — це результат колапсу.
Будинок, що руйнує себе
Нагадаємо основні уявні побудови, пов’язані з цим передбаченням А. Ейнштейна. Будь-яке тіло, у якого є маса, притягує до себе інші. Уявімо собі, що ця маса стає все більше. Притягувати вона буде сильніше і сильніше. Сильніше притягує — важче відірватися від неї і полетіти. Все більше так звана друга космічна швидкість. І якщо маса тіла продовжує зростати, то рано чи пізно настає мить, коли вам потрібно розігнатися до швидкості світла, щоб полетіти. Ще трохи більше маса — і вже саме світло не зможе відірватися від «поверхні» такої «Землі». Адже навіть воно не може рухатися швидше себе. І біжучи, світло повернеться, як повернеться будь-яка частка…
Це і є чорна дірка? До речі, такою чорною діркою для зовнішніх спостерігачів виявиться наш Всесвіт, радіус якого — близько 10 мільярдів світлових років. Всередині цього клубка зірок сума всіх мас якраз достатня, щоб утримати, не випустити навіть промінь світла. Це і є так звана «межа нашого видимого світу», межа видимого Всесвіту, або, як її ще називають, «горизонт». За нього ніщо не може проникнути з нашого світу.
Отриманий на кінчику пера, цей висновок загальної теорії відносності Ейнштейна, хоча і став майже звичним, важкий для самої витонченої уяви. Але з тієї ж теорії, можливі і такі «маленькі» чорні дірки, по відношенню до яких ми самі опинимося в ролі зовнішніх, сторонніх спостерігачів. Для цього потрібно лише, щоб щільність речовини в якомусь небесному тілі в мільярди разів перевершила щільність Всесвіту. Тоді «гравітаційний радіус» відповідно в мільярди разів зменшиться.
Земля, надійна і рідна, нехай послужить нам прикладом. Друга космічна швидкість зростає не тільки з ростом маси. Якщо зменшити радіус Землі вдвічі при тій же масі — сила ваги на її поверхні зросте вчетверо. Щоб перевірити це, досить шкільної формули закону тяжіння Ньютона. Відірватися від такої Землі буде важче, космічна швидкість зросте. Стискаємо далі, тяжкість зростає, і, нарешті, коли радіус Землі досягне декількох метрів, нам, щоб полетіти, знадобиться швидкість світла. Такий гравітаційний радіус Землі. Слава тим силам, що підтримують нашу планету зсередини і не дають їй стиснутися!
Уявіть собі річку. Широка вода. Швидкість течії нехай буде силою тяжіння, що зваблює нас. Витрата води в одиницю часу — аналог маси. Збережемо цей витрату — масу, але звузимо русло, тобто збільшимо щільність.
Течія стає настільки сильною, що заходити в таку воду небезпечно. Так само небезпечно, як опинитися поблизу надщільного тіла.
Але — далі. Як буде почувати себе матерія, коли її здавить сила тяжіння, порівнянна з силами внутрішнього тиску? Чи не станеться так, що в якийсь момент під дією жахливої ваги вона, подібно занадто великому будинку, раптом «впаде всередину себе»? Станеться! Це і передбачила загальна теорія Ейнштейна в 1915 році: досить велика маса «холодної матерії», якщо її радіус менше 300 гравітаційних, почне нестримно стискатися — колапсувати. Матеріалу не встояти перед натиском гравітаційних сил, «будинок завалиться».
«Чорна діра» (або «яма») — не єдина назва для сколапсуючого тіла. «Гравітаційною труною» — так назвав її вчений Я. Б. Зельдович, «вмороженістю зірки»… Шалено далекий привид, у якого «обідрані», без ядра електронів речовини нестримно прагнуть «всередину», в центр і тільки туди, до тієї області, де кінчається різноманітність. Залишається лише найпростіше: маса, заряд, де немає відмінностей, де всі рівні і царює безвихідь руху лише всередину.
Ніхто не повертається звідти…
Зовні та область, де знаходиться сколапсуюче тіло, повинна здатися ідеально чорною. В тому і сенс назви — «чорна діра»… Жодного промінчика світла з неї не виб’ється. Пославши сигнал до такого об’єкта, ми будемо марно чекати, поки він відіб’ється, повернеться до нас. Ніщо не повертається з області, де перебуває «чорна яма». Все, що туди потрапляє, втрачає своє обличчя, зберігаючи лише масу, заряд, момент кількості руху і кількість руху. Ніщо не може зупинити колапсу, якщо тіло стислося настільки, що виявилося всередині критичної поверхні, обмеженої гравітаційним радіусом. Об’єкт стає тоді принципово неспостережним в тому сенсі, як ми уявляємо собі спостереження. Це зовсім не означає, що «дірку» не можна виявити, але… про це мова далі.
Поблизу колапсуючої області і всередині неї простір сильно «викривляється». Важко уявити собі, як може викривлятися тривимірний простір. Але можна уявити двовимірний простір у вигляді натягнутого гумового полотна.
Колись в якомусь місці щільність полотна стане дуже великою — це все одно, що покласти туди гирку, — кривизна різко зростає. Утворюється ямка. Все, що рухається вільно і по прямих лініях поблизу цієї ямки, в тому числі і світло, починає поводитися незвично. І, головне, якщо яма глибока, потрапивши в неї, ніщо вже більше звідти не повернеться.
Але є ще координата — час. В чотиривимірному світі Ейнштейна — Мінковського це рівноправна з просторовими координата. Всередині колапсуючої області координати міняються місцями! Тепер напрямок ходу часу для спостерігача всередині колапсуючої області — це напрям зменшення радіуса. Потрапити на більший радіус у нього не більше шансів, ніж повернути наше звичайне життя назад. Він не може зупинитися і продовжує «падати», бо зупинитися — це зупинити час. Але, «на щастя» для такого спостерігача, колапс триває недовго. Так, якщо прибрати внутрішній тиск в Землі, то за нашим годинником ми сколапсуємо за п’ять хвилин і потрапимо в так звану сингулярність (особливу точку, де щільність речовини дорівнює нескінченності). Однак будемо мудрими і спробуємо спостерігати колапс ззовні.
Ціна за безпеку велика. Ззовні ми зможемо спостерігати тільки початок колапсу. Як тільки тіло проходить свій «горизонт», всякий зв’язок з ним припиняється. Ніякої інформації з цієї області ми отримати вже не зможемо. Сигнали «заплутуються» у власній неевклідовій геометрії «чорної ями» та не виходять назовні. З-за цього нам буде здаватися, що колапс триває вічно.
Вперше геометрію «чорної ями» розрахував Мартін Шварцшильд у 1916 році. А в 1963 Рой Керр побудував геометрію для обертової маси, яка колапсує. І у нашого об’єкта з’явилися додаткові фантастичні властивості. Радіус зірки величезний. Уявіть, вона стискається, колапсує. Радіус зменшується. І тоді, як фігуристка, руки, що прижалася різко до тіла, зірка закрутиться зі швидкістю вовчка. Чим менший радіус, тим скоріше обертання. І так до тієї пори, поки на поверхні поблизу екватора швидкість не стане дорівнювати швидкості світла. У такої рухомої «дірки» буде дві критичних поверхні. Одна — це все той же «горизонт» і інша — поверхня так званого нескінченного червоного зсуву. Її радіус дорівнює тому, при якому лінійна швидкість обертання досягає швидкості світла. Стикаються ці дві поверхні тільки поблизу полюсів. Простір між ними назвали ергосферою.
Від «білих карликів» до «чорної ями»
Об’єкт з фантастичною личиною, яка не схожа ні на що в звичному світі. Він не вкладається ні в які рамки, але тільки до тих пір, поки нам не вдасться вплести його в мережу інших наших, вже більш-менш усталених уявлень та фактів. Так, до Менделєєва кожен новий елемент являв собою одкровення, поки вони всі, пов’язані знаменитою таблицею, не підкорилися необхідності. Так і з «чорними ямами». Виявилося, що чорна діра — не що інше, як досить «масовий», по ідеї, «продукт» еволюції досить масивних зірок. У всякому разі, так вважають американські фізики Р. Руффіні та Дж. Уїллер, яким багато в чому зобов’язана ця стаття.
Досить давно у Всесвіті були відкриті зірки, названі «білими карликами». Це дуже щільні зірки. Так «білий карлик» розміром із Землю по масі дорівнює кільком сонячним. Коли цими надгустими зірками зайнялися впритул і застосували до них теорію, то виявилося, що «карлики» з масою, більшою ніж 1,2 сонячної маси, — річ нестійка і недовговічна. Така зірка почне стискатися під дією сил власного гравітаційного поля. Так говорить теорія. Стискаючись, зірка перетвориться спочатку в нейтронну зірку. Це зірка, у якої щільність речовини досягла ядерної щільності. Якщо «білий карлик» розміром із Землю, як говорилося, буде мати сонячну масу, то нейтронна зірка, така ж по масі, буде в поперечнику дорівнювати всього лише кільком десяткам кілометрів.
Жахлива щільність, але і на ній справа не закінчується. Якщо стиснення триває, зірка може перейти у стан надядерної щільності, тобто сколапсує і перетвориться в нашу «чорну діру», або «гравітаційну труну». Отже, той дивний об’єкт з безліччю назв, про який ми писали вище, — кінцевий підсумок еволюції «добре» відомих нам в космосі зірок — «білого карлика» і нейтронної зірки. (Обертові нейтронні зірки, як з’ясувалося, і є знайомі нам пульсари.)
Правда, насправді не все так просто. Фізика процесу, обмовимося — можлива фізика, дуже складна. Можуть пройти тисячі років, поки маса ядра зірки «добереться» до стану гравітаційної нестійкості. Причому, не обов’язково вона повинна бути в точності рівна критичній. Вона набагато може її перевищувати, і, тим не менш, колапс довго не настане. Так може бути, наприклад, коли гравітаційні «обійми» будуть врівноважені високим внутрішнім тиском. Якщо зірка «гаряча», то температури всередині будуть «роздувати» її і урівноважать сили гравітації. Але варто охолодити зірку, як вона миттєво сколапсує.
Колапс, колапс, колапс…
Спочатку матеріал починає «розсипатися» і текти всередину повільно — потім все прискорюючись. В якусь мить велика частина речовини «стиснеться», і сили гравітації зростуть, процес прискориться. Зовнішня оболонка зірки в цей момент відшаровується, не встигаючи за ядром…
Далі — два шляхи. Якщо кінетична енергія текучої до центру колапсуючої речовини достатня, щоб перевести систему в стан надядерної щільності, то настане повний колапс і утворюється «чорна діра». Якщо цієї енергії не вистачає, то колапс затримується на стадії ядерної або близької до того щільності. Зупинка такої величезної маси, яка з величезною швидкістю падала в центр, призводить до миттєвого перетворення гігантської кінетичної енергії в теплову. Це все одно, що різко загальмувати величезний тепловоз, в мільярди тонн вагою, який мчить на повному ходу. Стрибок температури призводить до вибухового зростання тиску всередині.
І ось навколишня оболонка, яка, пам’ятаєте, падала повільніше і відстала, відшарувалася від основної маси, починає відчувати цей тиск. Вибух «всередину» обертається вибухом «назовні». Оболонка розлітається, виникають космічні промені й хмари мчаться у всі сторони іонів. Можливий приклад такої вибухнулої зірки (їх називають надновими) — Крабоподібна туманність з масою, приблизно рівною масі Сонця. Ось і ще одна спорідненість встановлена — наднова, чорна дірка…
Обертання і магнітні поля можуть сильно вплинути на цю картину. У міру стиснення, як вже говорилося, ядро буде все швидше обертатися, щоб зберегти колишній момент кількості руху. При цьому магнітні силові лінії, прив’язані до плазми, а тому не встигають за обертанням, намотуються на ядро подібно нитці на шпульку. Оскільки між цими лініями існують сили відштовхування, це викликає загальне подовження колапсуючої «шпульки». Силові лінії несуть з собою матерію, яка у вигляді струменів викидається з полюсів.
Але якщо маса ядра велика, то на стадії ядерної щільності колапс може сповільнитися, але не зупинитися. Гравітаційні сили панують. Система проскакує стан нейтронної зірки і — повний колапс!
У пошуках «чорних ям»
Тепер, коли наш дивний привид знайшов своє місце в ланцюжку можливих перетворень вже відомих зірок, є шанси на те, що його вдасться незабаром «відкрити» серед блискучих вогників на небі. Побачити його, звичайно, не вдасться, почути в радіотелескопі — теж. Він нічого не випромінює. Але все ж якісь властивості у «діри» є: маса, заряд… Значить, вона може впливати на орбіти видимих зірок. «Чорна яма» може утворити з видимою зіркою пару, яка буде обертатися, поперемінно затемнюючись (затемнено-змінні зірки). Вона («діра») може просто «висмикнути» з зірки «жмут» речовини, і ми побачимо раптом струмінь, що витікає із зірки в нікуди! У хмарах міжзоряного пилу головним доказом, по якому ми виявимо невидиму небезпеку, будуть потоки — струмені речовини, спрямовані в одне і те ж місце без видимих на те причин. А у випадку подвійної зірки, одна з яких — «дірка», між ними може виникнути перемичка з перетікаючої речовини, чого в звичайному випадку не спостерігається.
Є й інші «докази». Наприклад, в момент, коли тіло проходить свій гравітаційний радіус, в той останній момент спілкування з світом, воно посилає як прощальний крик потужне гравітаційне випромінювання в простір. Якщо вже в закриту «дірку» падає міжзоряний газ і речовина, то при переході нею критичного радіуса повинно виникнути потужне електромагнітне випромінювання. Причому, як показали вчені, випромінюють в цьому випадку не окремі частинки, а весь газ. Бо по дорозі він нагрівається до неймовірних температур. Нагрівається за рахунок ефекту закручування або виру. Уявіть собі звичайний всмоктуючий вентилятор. Струмінь диму по мірі наближення до нього сильно закручується навколо своєї осі і стискається в поперечнику. Те ж відбувається і з падаючим в «чорну яму» зоряним газом.
І, нарешті, якщо діра обертається, то частинка може підлетіти до неї, побувати в ергосфері і, не долетівши до кордону гравітаційного радіуса, вислизнути. Найдивніше, що при цьому частка ще придбає енергію. Вся справа у вугіллі і швидкості, з якою частинки влітають в ергосферу. Нагадаємо, що ергосфера — це ще не дірка і повернення з неї можливо. Але в такому разі колапсуюче тіло може, в принципі, працювати як генератор високоенергетичних космічних променів, походження яких досі залишається загадкою.
Автор: Е. Цветков.