Чорна діра: цікаві факти, загадки та властивості

Що станеться, якщо зоря помре? Чи може в космосі існувати об’єкт, який поглинає навіть світло? Ці питання довгий час не давали спокою науковцям — і все це призвело до відкриття чорних дір, які змінюють саме уявлення про простір, час і гравітацію. У цій статті ми розглянемо, що таке чорна діра, як вона утворюється, з чого складається, а також поділимося з вами цікавими фактами!

Що таке чорна діра?

Чорна діра — це область простору, в якій гравітація настільки сильна, що ніщо не може вирватися з неї назовні, навіть світло. Саме тому вона й названа «чорною». Її не можна побачити безпосередньо, але її існування можна виявити за непрямими ознаками: по впливу на орбіти зір поблизу або по випромінюванню гарячої матерії, яка ще не встигла «впасти» всередину.

Усе, що опиняється в межах чорної діри, потрапляє за горизонт подій — умовну поверхню, після перетину якої жодна інформація, сигнал чи частинка вже не можуть вирватися назад. Це «точка неповернення», яка відділяє звичайний світ від невідомого.

У центрі чорної діри, за сучасними уявленнями, розташована сингулярність — точка нескінченної густини, де закони фізики, які ми знаємо, більше не діють. Саме через це чорні діри залишаються однією з найбільш загадкових тем у науці. Поєднуючи в собі елементи загальної теорії відносності й квантової фізики, вони кидають виклик нашому розумінню Всесвіту.

Попри свою зловісну репутацію, чорні діри — це не «космічні пилососи». Вони не засмоктують усе навколо себе. Щоб бути поглинутим, об’єкт має підійти досить близько. Наприклад, якби Сонце якимось чином перетворилося на чорну діру (що неможливо через його недостатню масу), Земля все одно оберталася б навколо неї — так само, як зараз, — лише у вічній темряві.

З чого складається чорна діра?

Чорна діра — це не «тіло», як планета чи зоря. Її будова радше умовна, адже більшість того, що ми знаємо про неї, засновано на математичних моделях і непрямих спостереженнях.

Основні складові чорної діри:

1. Сингулярність — гіпотетична точка в центрі чорної діри, де вся її маса зосереджена у нескінченно малій області. У сингулярності щільність матерії нескінченна, а простір і час викривлені до межі. Це місце, де перестають діяти відомі нам фізичні закони.

2. Горизонт подій — межа навколо сингулярності, за якою немає вороття. Якщо щось перетинає горизонт подій — воно вже ніколи не зможе повернутися назовні, навіть зі швидкістю світла. Все, що потрапляє всередину, стає невидимим для зовнішнього світу.

3. Акреційний диск (у багатьох чорних дір) — яскравий, гарячий диск з газу та пилу, що обертається навколо чорної діри. Матерія в ньому стикається, розігрівається до мільйонів градусів і випромінює світло, яке можуть вловити телескопи. Саме завдяки цьому диску астрономи й знаходять чорні діри.

4. У випадку обертових чорних дір є ще ергосфера — область за межами горизонту подій, у якій простір буквально «втягується» у обертання чорної діри. У цій зоні ще можливо втекти, але зробити це дуже складно.

Як утворюється чорна діра?

Найпоширеніший спосіб виникнення чорної діри — гравітаційний колапс масивної зорі.

Коли зоря вичерпує своє термоядерне паливо (переважно водень), вона перестає виробляти енергію, яка підтримує її рівновагу. Під тиском власної гравітації зоря починає стискатися. Якщо маса залишку зорі достатньо велика, відбувається колапс — матерія стискується настільки сильно, що виникає чорна діра.

Але це не єдиний шлях. Чорні діри можуть виникати також:

1. Після злиття нейтронних зір — коли дві нейтронні зорі стикаються, вони можуть утворити нову чорну діру.

2. Під час злиття двох чорних дір — утворюється ще масивніша чорна діра.

3. У перші миті після Великого вибуху — деякі теорії припускають існування первинних чорних дір, які могли утворитися ще до появи галактик.

Як виглядає чорна діра?

Чорна діра сама по собі невидима, адже не випромінює світла. Але те, що її оточує (акреційний диск і гравітаційні ефекти) створює видовищне космічне явище.

У 2019 році вчені вперше отримали «фото» тіні чорної діри в центрі галактики M87. Це зображення не показує саму чорну діру, а лише її обриси — темну область, оточену світлим кільцем. Це світло — випромінювання гарячої матерії, яку чорна діра ще не встигла поглинути.

Чорна діра виглядає як темний круглий силует, обрамлений вигнутими спалахами світла. Гравітація настільки сильна, що викривляє світло довкола себе, утворюючи ефект «гравітаційної лінзи». Через це здається, ніби ми бачимо чорну діру з усіх боків одночасно. Її справжній вигляд — результат складної взаємодії світла, простору, часу та гравітації.

Найбільша та найменша чорні діри

Чорні діри — не однакові. Вони можуть бути крихітними (майже як гора) або ж гігантськими (важчими за мільярди Сонць). Їх класифікують за масою та походженням.

Надмасивна чорна діра в центрі галактики

У центрі майже кожної великої галактики, зокрема й нашого Чумацького Шляху, розташована надмасивна чорна діра. Вона може важити мільйони або навіть мільярди разів більше за Сонце.

Надмасивна чорна діра нашої галактики має назву Sagittarius A*. Вона знаходиться приблизно за 26 тисяч світлових років від Землі. Незважаючи на свою гігантську масу, вона досить спокійна — не поглинає багато матерії, тому її складно спостерігати. Але саме її «тінь» у 2022 році вдалося сфотографувати вдруге в історії (після чорної діри в M87).

Чорна діра та біла діра

Чорна діра — це об’єкт, що поглинає все. А біла діра — це гіпотетичне явище, яке, навпаки, нічого не впускає, але може викидати матерію назовні. Її можна уявити як дзеркальне відображення чорної діри в теорії простору-часу.

Білі діри поки що існують лише в математичних моделях і науковій фантастиці. Деякі гіпотези навіть припускають, що чорна діра в одному місці Всесвіту може бути пов’язана з білою дірою в іншому — через так званий кротовий тунель (вормхол). Якщо ця ідея колись підтвердиться, це означатиме, що Всесвіт має «короткі шляхи» між далекими точками.

Однак жодного експериментального підтвердження існування білих дір поки не існує.

Цікаві факти про чорні діри

1. Чорна діра може «випаровуватися».

За гіпотезою Стівена Гокінга, чорні діри випромінюють енергію — так зване випромінювання Гокінга. З часом вони можуть втрачати масу і зрештою зникати. Щоправда, це може тривати трильйони років.

2. Час біля чорної діри тече інакше.

У зоні сильної гравітації (поблизу горизонту подій) час уповільнюється. Для спостерігача на відстані мине кілька хвилин, а для того, хто наблизився до чорної діри, — усього мить. Це не вигадка, а наслідок загальної теорії відносності.

3. Чорні діри можуть «виростати».

Поглинаючи речовину або зливаючись з іншими чорними дірами, вони збільшуються в розмірах і масі. Найбільші з них — надмасивні — важать мільярди сонячних мас.

Чорні діри — одні з найзагадковіших об’єктів у Всесвіті. Вони кидають виклик нашому розумінню простору, часу і навіть природи реальності.

Щоб по-справжньому розібратися в темах гравітації, астрофізики або загальної теорії відносності, варто працювати не лише з теорією, а й із практичними прикладами. У цьому вам допоможе репетитор з фізики. А підготовка до НМТ з фізики разом із викладачем — це шанс не лише добре скласти іспит, а й полюбити науку, яка пояснює, як влаштований наш Всесвіт.