Чорні діри – від теорії до дійсності

Хоча Ейнштейн скептично ставився до існування чорних дір, його власна теорія передбачала інше. Що наблизило нас до відкриття чорних дір так це спостереження за поведінкою коллапсирующих зірок. І об’єкт під назвою Cygnus X-1 надав докази.

Доказ існування чорних дір

У часи Ейнштейна мало хто з фізиків думав, що чорні діри дійсно існують – якщо вони взагалі замислювалися про це. Але в 1965 році Пенроуз зробив відкриття, яке перевернуло цю точку зору.

Використовуючи математику, яка сильно відрізнялася від усього, що коли-небудь використав Ейнштейн, Пенроуз зміг строго довести, що за певних обставин коллапсірующая зірка гарантовано сформує чорну діру. Зокрема, якщо коллапсірующая зірка досить масивна, то утворення чорної діри абсолютно неминуче.

У січні 1965 року Пенроуз опублікував коротку трьохсторінкову статтю, озаглавлену “Гравітаційний колапс і просторово-часові сингулярності”. У той час аргументи Пенроуза сильно суперечили загальноприйнятим думку фізичної спільноти.

Багато хто стверджував, що складності реальних коллапсирующих зірок завадять їм утворити чорні діри.

Але математичний аргумент Пенроуза був переконливим. Протягом наступних декількох років думки багатьох фізиків були змінені. До кінця 1960-х років стало панівною думкою, що чорні діри, ймовірно – якщо не гарантовано – існують у природі.

Як чорні діри впливають на навколишні зірки

По мірі того, як все більше фізиків переконувалися в існування чорних дір, почав зростати інтерес до способів виявлення або спостереження цих об’єктів. Одним з перших учених, які активно працювали над цим питанням, був радянський фізик Яків Зельдовіч.

На початку 1960-х років Зельдовіч припустив, що наявність чорних дірок може бути побічно виведено шляхом вивчення руху інших прилеглих зірок. Він стверджував, що невидима чорна діра змусила б іншу зірку в межах її власної сонячної системи розгойдуватися взад і вперед з регулярним періодом.

Якби вчені могли якимось чином спостерігати за такий коливної зіркою, вони могли б ідентифікувати чорну діру і навіть виміряти її масу.

З іншого боку, Зельдовіч стверджував, що за певних обставин чорна діра може справляти значний вплив на навколишній її матеріал. Всі астрофізичні тіла притягують і накопичують матерію силою свого тяжіння.

Але на відміну від звичайних зірок або планет, матерія, падаюча до чорної діри, буде прискорюватися майже до швидкості світла у міру її наближення. Більш того, цей падаючий матеріал буде обертатися навколо чорної діри по спіралі, подібно рідини, що стікає в каналізацію.

Оскільки ця речовина рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, його температура досягає мільйонів градусів. Зельдовіч стверджував, що такі системи будуть виділяти величезну кількість енергії і можуть спостерігатися астрономами навіть на дуже великих відстанях.

Таємниця Лебедя X-1

Загадка дивного астрономічного об’єкта, відомого як Лебідь X-1, поставила астрономів в глухий кут. Вперше виявлений астрономами в 1964 році, спостереження цього об’єкта в 1970 році, однак, виявили деякі з його більш химерних характеристик.

Спостерігалося, що Лебідь X-1 випускав дуже яскраві спалахи рентгенівського випромінювання кілька разів в секунду. Коротка тривалість цього рентгенівського випромінювання вказувала на те, що те, що їх випромінювало, було не дуже великим за астрономічними стандартами – не більше частки світловий секунди в поперечнику.

Іншими словами, об’єкт буде мати довжину не більше 100 000 кілометрів або близько того. Рентгенівські промені утворюються тільки в дуже гарячих середовищах з температурою в мільйони градусів.

В наступному році радионаблюдения в напрямку Лебедя X-1 виявили блакитну сверхгигантскую зірку. Однак ця зірка занадто велика, щоб генерувати швидке рентгенівське мерехтіння, яке спостерігалося раніше.

Щоб пояснити виробництво спостережуваних рентгенівських променів, астрономи прийшли до висновку, що частина газу цієї зірки якимось чином відривалася, а потім нагрівалася до дуже високих температур. Пізніше в тому ж році інші спостереження почали виявляти коливання блакитного надгіганта – точно так само, як Зельдовіч припустив десятиліттям раніше.

З спостережуваного коливання астрономам стало ясно, що довколишній об’єкт був масивним – занадто масивним, щоб навіть бути нейтронної зіркою.

Оскільки якість спостережень продовжувала поліпшуватися в наступні роки, стало ясніше, що Лебідь X-1 був чорною діркою. До кінця 1970-х років більшість астрофізиків прийшли до згоди з цим висновком, а також з висновком про те, що чорні діри дійсно існують в нашій Всесвіту.

Тепер відомо, що Лебідь X-1 – це чорна діра, видалена від нас приблизно на 6000 світлових років і приблизно у 15 разів масивніше Сонця. При такій масі радіус Шварцшильда цієї чорної діри становить близько 44 кілометрів.

Все, що знаходиться в межах цього радіуса, назавжди втрачено з нашого поля зору. І, в деякому розумінні, втрачено з самої нашої Всесвіту.

Чорні діри навколо нас

Протягом десятиліть після визначення того, що Лебідь X-1 є чорною дірою, астрономи і астрофізики виявили безліч інших чорних дір у Всесвіті. Сюди входять десятки чорних дір, які колись вважалися масивними зірками, подібними Лебедя X-1.

Крім того, було виявлено багато великих і масивних чорних дір. Наприклад, у центрі галактики Чумацький Шлях знаходиться величезна чорна діра, маса якої приблизно в чотири мільйони разів перевищує масу Сонця.

В даний час прийнято вважати, що більшість спіральних і еліптичних галактик містять у своїх центрах надмасивні чорні діри.

Хоча більшість з цих надмасивних чорних дір схожі по масі з тієї, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху, в деяких галактиках знаходяться чорні діри ще більшого розміру, маси яких вимірюються мільярдами, а не просто мільйонами сонячних мас.

Чорні діри є наслідком загальної теорії відносності Ейнштейна. І все ж Ейнштейн так і не прийшов до визнання того, що чорні діри дійсно – або навіть могли існувати в нашому Всесвіті.