Що таке чорна діра?

Чорні діри, названі так в 1967 році американським астрофізиком Джоном Вілером, не що інше, як результат гравітаційного колапсу зірок, маса яких більш ніж в 2,5 рази перевищує масу Сонця.

У цьому випадку внутрішній тиск зірки не здатний зупинити її гравітаційний колапс.

Стрімко стиснута гравітаційними силами зірка зменшується до розмірів сфери Шварцшильда, після чого ніякі сигнали з поверхні зірки вже не можуть вийти назовні. Відповідно до загальної теорії відносності, спостерігач, що знаходиться на великій відстані від цієї зірки, ніколи не дізнається, що відбувається всередині сфери Шварцшильда. Він навіть не побачить моменту перетину поверхнею зірки сфери Шварцшильда: через релятивістське уповільнення часу зірка для спостерігача буде наближатися до гравітаційного радіусу нескінченно довго і «застигне» при розмірах, близьких до гравітаційного радіуса. Розмір чорної діри, а точніше — радіус сфери Шварцшильда, пропорційний її масі. Для чорної діри з масою, що дорівнює близько 10 сонячних, радіус сфери Шварцшильда складає приблизно 30 кілометрів.

Астрофізика не накладає ніяких обмежень на розмір зірки, а тому і чорна діра може бути як завгодно велика. Якщо вона, наприклад, має масу близько 10 мільйонів сонячних (виникла за рахунок злиття сотень тисяч, а то й мільйонів порівняно невеликих зірок), її радіус буде близько 300 мільйонів кілометрів, тобто вдвічі більший земної орбіти. Мабуть, саме такі чорні діри перебувають у центрах галактик. У всякому разі, астрономи сьогодні налічують близько 50 галактик, в центрі яких, судячи за непрямими ознаками, є чорні діри масою близько мільярда сонячної.

У нашій Галактиці теж, мабуть, є своя чорна діра — її масу оцінюють приблизно в 2,4 мільйона сонячних. Теорія припускає, що поряд з такими надгігантами повинні були виникати і чорні міні-діри масою близько 100 мільйонів тонн (маса астероїда поперечником всього близько 200 метрів) і радіусом, порівнянним з розміром атомного ядра. Вони могли з’являтися в перші миті існування Всесвіту як прояв дуже сильної неоднорідності простору-часу при колосальній щільності енергії.

Ідею чорних дір першим висунув англійський священик Джон Мічелл, який у Кембриджі поклав початок сучасному вивченню магнетизму і землетрусів. Крім того, він встановив можливу фізичну подвійність ряду зірок і по листуванню вчив Вільяма Гершеля мистецтву виготовлення телескопів. В опублікованій в 1784 році статті Мічелл виклав уявлення про невидиму зірку. До ідеї чорної діри його привела думка про те, що масивна зірка повинна своїм могутнім тяжінням уповільнювати випускаюче  нею світло і врешті-решт повністю його зупинить. Мічелл обчислив, що зірка діаметром в 500 разів більшим сонячного і щільністю, рівною сонячній, буде невидима. Французький астроном і математик Симон Лаплас прийшов до цієї ідеї в 1796 році (і його часто вважають першим). Але, за його розрахунками, діаметр зірки (чорної діри) виходив вдвічі менше, ніж у Мічелла. Загальна теорія відносності згодна з ідеєю Мічелла. Таким чином, священик з глухого англійського містечка Торнхілл не тільки випередив великого Лапласа, а й виявився точнішим.

Чорні діри нічого не випромінюють, навіть світла. Проте астрономи навчилися бачити їх, вірніше — знаходити кандидатів на цю роль. Є три способи виявити чорну діру.

1. Потрібно простежити за зверненням зірок у скупченнях навколо якогось центру гравітації. Якщо виявиться, що в цьому центрі нічого немає і зірки крутяться як би навколо порожнього місця, можна досить впевнено сказати: в цій «порожнечі» знаходиться чорна діра. Саме за цією ознакою припустили наявність чорної діри в центрі нашої Галактики і оцінили її масу.

2. Чорна діра активно всмоктує в себе матерію з навколишнього простору. Міжзоряний пил, газ, речовини найближчих зірок падаючі на неї по спіралі, утворюючи так званий акреційний диск, подібний кільцю Сатурна. Наближаючись до сфери Шварцшильда, частинки зазнають прискорення і починають випромінювати в рентгенівському діапазоні.

Це випромінювання має характерний спектр, подібний добре вивченому випромінюванню частинок, прискорених у синхротроні. І якщо з якоїсь області Всесвіту приходить таке випромінювання, можна з упевненістю сказати — там повинна бути чорна діра.

3. У разі злиття двох чорних дір виникає гравітаційне випромінювання. Підраховано, що якщо маса кожної становить близько десяти мас Сонця, то при їх злитті за лічені години у вигляді гравітаційних хвиль виділиться енергія, еквівалентна одному відсотку їх сумарної маси.

Це у тисячу разів більше  світлової, теплової та іншої енергії, яку випроменить Сонце за весь час свого існування — п’ять мільярдів років. Виявити гравітаційне випромінювання сподіваються за допомогою гравітаційно-хвильових обсерваторій.

І все-таки, хоча у астрономів немає ніяких сумнівів в існуванні чорних дір, категорично стверджувати, що в даній точці простору знаходиться саме одна з них, ніхто не береться. Щоб отримати на це запитання однозначну  відповідь, недостатньо оцінити масу невидимого об’єкта. Потрібно також виміряти його радіус і показати, що він не перевищує гравітаційний. А навіть у межах нашої Галактики це завдання поки що не можна вирішити.