Звичайні чорні діри. Невеликі, але смертельні
Коли зірка спалює своє останнє паливо, вона сильно зменшується в розмірах. Невеликі зірки, що мають маси приблизно в три рази більше маси Сонця, перетворюються на нейтронні зірки або білі карлики. Але коли колапсує зірка побільше, вона продовжує стискатися. І створює звичайну чорну діру.
Чорні діри, утворені колапсом окремих зірок відносно невеликі. Але мають неймовірну щільність. Такий об'єкт містить три маси Сонця в області розміром з невелике місто. Така щільність матерії призводить до виникнення колосального гравітаційного поля. Чорні діри поглинають пил і газ з простору навколо себе. І тому ростуть у розмірах.
Згідно з даними дослідження Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики, наша галактика Чумацький Шлях містить кілька сотень мільйонів чорних дір.
Супермасивні чорні діри - народження гігантів
Маленьких чорних дір досить багато у Всесвіті. Однак домінують у просторі діри побільше. Супермасивні чорні діри в мільйони, або навіть у мільярди разів важчі, ніж Сонце. Але мають радіус, близький до радіусу найближчої зірки до Землі. Вважається, що такі чорні діри лежать у центрі майже кожної галактики, включаючи Чумацький Шлях.
Вчені поки до кінця не визначилися, як саме виникають такі великі чорні діри. Як тільки вони народжуються, вони, можливо, починають набирати масу з пилу і газу навколо себе. Тобто того матеріалу, який рясніє в центрі галактик. І це дозволяє їм виростати до величезних розмірів.
Супермасивні чорні діри можуть бути результатом злиття сотень або тисяч невеликих чорних дір. Великі газові хмари також можуть бути залучені в цей процес. Вони дозволяють чорним дірам швидко нарощувати масу. Третій варіант - крах зіркового кластера, коли група зірок колапсує одночасно.
Проміжні чорні діри - застряглі посередині
Вчені колись вважали, що чорні діри мають тільки малі і великі розміри. Але недавні дослідження показали можливість існування середніх або проміжних чорних дір (IMBH). Такі тіла можуть утворюватися, коли зірки в кластері стикаються з ланцюгової реакції. Деякі з цих зірок, що утворилися в одній і тій же області простору, в кінцевому підсумку можуть колапсувати разом в центрі галактики і створити надмасивну чорну діру.
У 2014 році астрономи виявили об'єкт, який виявився чорною дірою проміжної маси. Він знаходиться в рукаві спіральної галактики.
Теорія чорних дір - як вони працюють
Чорні діри неймовірно масивні. Але при цьому займають невелику область простору. Між масою і гравітацією існує прямий зв'язок. Це означає, що вони мають надзвичайно сильний гравітаційний пол. Практично ніщо не може піти від них. У класичній фізиці навіть світло, потрапляючи в чорну діру, не може покинути її.
Таке сильне тяжіння створює проблему спостереження, коли справа доходить до чорних дір. Вчені просто не можуть «бачити» їх так, як вони можуть бачити зірки та інші об'єкти в космосі. Для виявлення цих об'єктів вчені покладаються на випромінювання, яке випускається, коли пил і газ поглинається чорною дірою. Супермасивні чорні діри, що лежать в центрі галактики, можуть виявитися оповиті пилом і газом, що знаходяться навколо них. Це може блокувати спостереження викидів.
Іноді, коли матерія рухається до чорної діри, вона рикошетом залишає горизонт подій і вилітає назовні, а не втягується всередину. Створюються яскраві струмені матеріалу, що рухається з практично релятивістськими швидкостями. Хоча сама чорна діра залишається невидимою, ці потужні струмені можна побачити з великих відстаней.
Горизонт подій
Чорні діри мають три «шари» - зовнішній, горизонт подій і сингулярність.
Горизонт подій чорної діри - це місце, де світло втрачає здатність до «втечі». Коли частинка перетинає горизонт подій, вона вже не може покинути чорну діру. На горизонті подій гравітація постійна.
Внутрішня область чорної діри, де міститься її маса, відома як сингулярність. Це єдина точка в просторі - часу, де зосереджена маса чорної діри.
За уявленнями класичної механіки і фізики ніщо не може вийти з чорної діри. Однак, коли до рівняння додається квантова механіка, все трохи змінюється. У квантовій механіці для кожної частинки є античастинка. Це частинка з однаковою масою і протилежним електричним зарядом. Коли вони зустрічаються, пара частинка-античастинка може анігілювати.
Якщо пара частинка-античастинка створюється поза досяжністю горизонту подій чорної діри, одна з частинок може впасти в чорну діру, а інша бути виштовхнута. У результаті маса чорної діри зменшується. Цей процес називається випромінюванням Гокінга. І чорна діра може почати розпадатися, що відкидається класичною механікою.
Вчені все ще працюють над тим, щоб створити рівняння, за допомогою яких можна було зрозуміти, як функціонують чорні діри.
Світло подвійних чорних дір
У 2015 році астрономи, які використовують гравітаційно-хвильову обсерваторію лазерного інтерферометра (LIGO), вперше виявили гравітаційні хвилі. Відтоді за допомогою цього інструменту спостерігалося кілька інших подібних інцидентів. Гравітаційні хвилі, помічені LIGO, виникли від злиття невеликих чорних дір.
Спостереження LIGO також дають уявлення про напрямок обертання чорної діри. Коли пара чорних дір обертається по спіралі навколо один одного, вони можуть обертатися в одному напрямку. Або напрямки обертання можуть бути абсолютно різними.
Існує дві теорії про те, як утворюються бінарні чорні діри. Перша припускає, що вони утворилися приблизно в один і той же час, від двох зірок. Вони могли народитися разом і загинути приблизно одночасно. Зірки-компаньйони мали б схожий напрямок обертання. Тому чорні діри, які вони залишили, теж оберталися б подібним чином.
По другій моделі чорні діри в зоряному кластері опускаються в його центр і з'єднуються. У цих компаньйонів були б випадкові орієнтації спину порівняно один з одним. Спостереження чорних дір з різною орієнтацією спина, вироблені за допомогою LIGO, дають більш переконливі докази цієї теорії освіти.
Цікаві факти про чорні діри
Ваша смерть настане перш, ніж ви досягнете сингулярності. Дослідження 2012 року передбачає, що квантові ефекти призведуть до того, що горизонт подій діятиме як стіна вогню, миттєво спалюючи вас до смерті.
Чорні діри не «засмоктують». Всмоктування викликано виштовхуванням чогось у вакуум, яким масивна чорна діра безумовно не є. Замість цього об'єкти просто потрапляють в них.
Першим об'єктом, що вважається виявленою чорною дірою, є Cygnus X-1. З 1971 року вчені виявили радіовипромінювання, що виходять від Cygnus X-1. Було виявлено масивний прихований об'єкт, який був ідентифікований як чорна діра.
Cygnus X-1 був предметом товариської суперечки 1974 року між Стівеном Гокінгом і фізиком-теоретиком Кіпом Торном. Останній стверджував, що це джерело було чорною дірою. У 1990 році Гокінг визнав свою поразку.
Мініатюрні чорні діри могли утворитися відразу після Великого вибуху. Простір, що швидко розширюється, можливо, стиснув деякі свої області в крихітні щільні чорні діри. Вони були менш масивні, ніж Сонце.
Якщо зірка проходить надто близько до чорної діри, вона зможе бути поглинена їй. За оцінками астрономів, у Чумацькому Шляху від 10 мільйонів до мільярда чорних дір з масами, що приблизно втричі перевищують масу Сонця.
Теорія струн передбачає більше типів масивних гігантських чорних дір, ніж звичайна класична механіка.
Чорні діри є приголомшливим матеріалом для науково-фантастичних книг і фільмів. Фільм Інтерстеллар значною мірою покладався на консультації теоретичного фізика Кіпа Торна. Це дозволило привнести справжню науку в продукт Голлівуду. Фактично, робота зі спецефектами для блокбастера призвела до поліпшення наукового розуміння того, як можуть виглядати далекі світи, коли вони розташовані поблизу чорної діри, що швидко обертається.
