Що таке чорна діра?

Визначальною властивістю чорної діри є її горизонт. Це межа, подолавши яку ніщо, навіть світло, не зможе повернутися назад. Якщо відокремлена область стає відокремленою назавжди, ми говоримо про «горизонт подій». Якщо ж вона тільки тимчасово відділена, ми говоримо про «видимий горизонт». Але це «тимчасово» також може означати, що область буде відокремленою набагато довше нинішнього віку Всесвіту. Якщо горизонт чорної діри є тимчасовим, але довготривалим, різниця між першим і другим розпливається.

Наскільки великі чорні діри?

Можна уявити горизонт чорної діри як сферу, і її діаметр буде прямо пропорційним масі чорної діри. Тому чим більше маси падає в чорну діру, тим більше стає чорна діра. У порівнянні із зірковими об'єктами, втім, чорні діри крихітні, тому що маса стискається в дуже малі обсяги під дією непереборного гравітаційного тиску. Радіус чорної діри масою з планету Земля, наприклад, всього кілька міліметрів. Це в 10 000 000 000 разів менше справжнього радіуса Землі.

Радіус чорної діри називається радіусом Шварцшильда в честь Карла Шварцшильда, який вперше вивів чорні діри як рішення для загальної теорії відносності Ейнштейна.

Що відбувається на горизонті?

Коли ви перетинаєте горизонт, навколо вас нічого особливого не відбувається. Все через принцип еквівалентності Ейнштейна, з якого випливає, що не можна знайти різницю між прискоренням в плоскому просторі і гравітаційним полем, що створює кривизну простору. Проте спостерігач далеко від чорної діри, який спостерігає за тим, як хтось інший падає в неї, помітить, що людина буде рухатися все повільніше і повільніше, підходячи до горизонту. Нібито час поблизу горизонту подій рухається повільніше, ніж далеко від горизонту. Однак пройде деякий час, і падаючий в дірку спостерігач перетне горизонт подій і виявиться всередині радіусу Шварцшильда.

Те, що ви відчуваєте на горизонті, залежить від приливних сил гравітаційного поля. Приливні сили на горизонті обернено пропорційні квадрату маси чорної діри. Це означає, що чим більше і масивніше чорна діра, тим менше сили. І якщо тільки чорна діра буде досить масивна, ви зможете подолати горизонт ще до того, як помітите, що щось відбувається. Ефект цих приливних сил розтягне вас: технічний термін, який для цього використовують фізики, називається «спагетіфікація».

У перші дні загальної теорії відносності вважалося, що на горизонті існує сингулярність, але це виявилося не так.

Що всередині чорної діри?

Ніхто не знає напевно, але точно не книжкова полиця. Загальна теорія відносності прогнозує, що в чорній дірі сингулярність, місце, в якому приливні сили стають нескінченно великими, і як тільки ви долаєте горизонт подій, ви вже не можете потрапити куди-небудь ще, крім як в сингулярність. Відповідно, ЗТВ краще не використовувати в цих місцях - вона просто не працює. Щоб сказати, що відбувається всередині чорної діри, нам потрібна теорія квантової гравітації. Загальновизнано, що ця теорія замінить сингулярність чимось іншим.

Як утворюються чорні діри?

В даний час ми знаємо про чотири різних способи утворення чорних дір. Найкраще розуміємо пов'язаний із зоряним колапсом. Досить велика зірка утворює чорну діру після того, як її ядерний синтез припиняється, тому що все, що вже можна було синтезувати, було синтезовано. Коли тиск, що створюється синтезом, припиняється, речовина починає провалюватися до власного гравітаційного центру, стаючи все більш щільним. Зрештою, воно настільки ущільнюється, що ніщо не може подолати гравітаційний вплив на поверхню зірки: так народжується чорна діра. Ці чорні діри називаються «чорними дірами сонячної маси» і найбільш поширені.

Наступним поширеним типом чорних дір є «надмасивні чорні діри», які можна знайти в центрах багатьох галактик і які мають маси приблизно в мільярд разів більше, ніж чорні діри сонячної маси. Поки достеменно невідомо, як саме вони формуються. Вважається, що колись вони починалися як чорні діри сонячної маси, які в густонаселених галактичних центрах поглинали безліч інших зірок і росли. Проте вони, схоже, поглинають речовину швидше, ніж передбачає ця проста ідея, і як саме вони це роблять - все ще залишається предметом досліджень.

Більш спірної ідеєю стали первинні чорні діри, які могли бути сформовані практично будь-якою масою у великих флуктуаціях щільності в ранньому Всесвіті. Хоча це можливо, досить важко знайти модель, яка виробляє їх, при цьому не створюючи надмірне їх кількість.

Нарешті, є дуже умоглядна ідея про те, що на Великому адронному колайдері можуть утворюватися крихітні чорні діри з масами, близькими масі бозона Хіггса. Це працює тільки в тому випадку, якщо у нашого Всесвіту є додаткові виміри. Поки не було ніяких підтверджень на користь цієї теорії.

Звідки ми знаємо, що чорні діри існують?

У нас є багато наглядових доказів існування компактних об'єктів з великими масами, які не випромінюють світло. Ці об'єкти видають себе по гравітаційному тяжінню, наприклад, за рахунок руху інших зірок або газових хмар навколо них. Вони також створюють гравітаційне лінзування. Ми знаємо, що у цих об'єктів немає твердої поверхні. Це випливає зі спостережень, тому що речовина, падаючи на об'єкт з поверхнею, має викликати викид більшої кількості частинок, ніж речовина, падаюче крізь горизонт.

Чому в минулому році Хокінг сказав, що чорні діри не існують?

Він мав на увазі, що чорні діри не мають вічного обрію подій, а тільки тимчасовий здається горизонт. У строгому сенсі тільки горизонт подій вважається чорною дірою.

Як чорні діри випускають випромінювання?

Чорні діри випускають випромінювання за рахунок квантових ефектів. Важливо відзначити, що це квантові ефекти речовини, а не квантові ефекти гравітації. Динамічний простір-час колапсуючої чорної діри змінює саме визначення частки. Подібно плину часу, яке спотворюється поруч з чорною дірою, поняття частинок занадто залежне від спостерігача. Зокрема, коли спостерігач, що падає в чорну діру, думає, що падає в вакуум, спостерігач далеко від чорної діри думає, що це не вакуум, а повний частинок простір. Саме розтягнення простору-часу викликає цей ефект.

Вперше виявлене Стівеном Хокінгом, що випускається чорною дірою випромінювання називається "випромінюванням Хокінга". Це випромінювання має температуру, обернено пропорційну масі чорної діри: чим менше чорна діра, тим вище температура. У зіркових і надмасивних чорних дір, які ми знаємо, температура значно нижча за температуру мікрохвильового фону і тому не спостерігається.

Що таке інформаційний парадокс?

Парадокс втрати інформації обумовлений випромінюванням Хокінга. Це випромінювання суто термічне, тобто випадково і з певних властивостей має тільки температуру. Випромінювання саме по собі не містить ніякої інформації про те, як сформувалася чорна діра. Але коли чорна діра випускає випромінювання, вона втрачає масу і скорочується. Все це абсолютно не залежить від речовини, яке стало частиною чорної діри або з якого вона утворилася. Виходить, знаючи тільки кінцевий стан випаровування не можна сказати, з чого сформувалася чорна діра. Цей процес «незворотній» - і заковика в тому, що в квантовій механіці немає такого процесу.

Виходить, випаровування чорної діри несумісне з квантової теорії, відомої нам, і з цим треба щось робити. Якимось чином усунути неузгодженість. Більшість фізиків вважають, що рішення полягає в тому, що випромінювання Хокінга має якимось чином утримувати інформацію.

Що пропонує Хокінг для вирішення інформаційного парадоксу чорної діри?

Ідея полягає в тому, що у чорних дір повинен бути спосіб зберігати інформацію, який до цих пір не прийняли. Інформація зберігається на горизонті чорної діри і може викликати крихітні зміщення частинок в випромінюванні Хокінга. У цих крихітних зміщення може бути інформація про потрапила всередину матерії. Точні деталі цього процесу в даний час не визначені. Вчені чекають більш докладного технічного документа від Стівена Хокінга, Малькома Перрі і Ендрю Стромінджера.

На даний момент ми впевнені, що чорні діри існують, знаємо, де вони знаходяться, як утворюються і чим стануть в результаті. Але деталі того, куди дівається надходить в них інформація, до сих пір представляють одну з найбільших загадок Всесвіту.

 

Моделювання гравітаційного лінзування чорною дірою, яка викривляє зображення галактики перед якою вона проходить.

Ейнштейнове кільце (деформація світла): промінь світла, що виходить із зірки за темрявою, досягає нас, відокремлений гравітаційним потягом чорної діри. Тож ми бачимо, що ця зірка ніби згорнута. Такі гравітаційні втручання, спрямовані на світлові промені як джерела тяжіння, такі як чорні діри або інша галактика, називаються наслідками гравитаційної лінзи.