У січні 2024 року астрономи виявили найдавнішу з відомих на сьогодні чорних дір. Це небесне тіло з’явилося через 400 мільйонів років після Великого вибуху, який, ймовірно, стався 13,7 мільярда років тому. satnet розповідає, як влаштовані найзагадковіші об’єкти у Всесвіті.
Що таке чорна діра?
У фізиці немає точного визначення терміна «чорна діра». Науковці по-різному тлумачать це поняття, але погоджуються, що так можна назвати ділянку космосу з надзвичайно сильним гравітаційним притяганням. Це означає, що будь-які предмети, об’єкти і явища, які потрапляють у чорну діру, не можуть повернутися назад.
Кожна чорна діра має межу, яку називають горизонтом подій. Чорні діри притягують до себе матерію, яка утворює навколо них акреційний диск – гігантську структуру, що швидко обертається й світиться завдяки взаємодії сил тертя й гравітації. Такі чорні діри, що обертаються, називають сфероїдальними. Проте існують й інші діри, які не можуть обертатися, – їх називають сферичними.
Чорні діри бувають кількох типів:
- Чорна діра зоряної маси. Ці небесні тіла за розміром не перевищують трьох мас Сонця.
- Чорна діра середньої маси. Це об’єкт, який збільшився завдяки поглинанню газових скупчень або сусідньої зірки в системах подвійних зірок. Вага такої чорної діри становить від 10 до кількох десятків сонячних мас.
- Надмасивні чорні діри. Вага цих небесних тіл сягає 10⁵-10¹¹ мас Сонця.
- Ультрамасивні чорні діри. Наразі відомо лише про двох представників цього виду. Перше небесне тіло масою 40 мільярдів сонячних мас розташоване в галактиці Holmberg 15A. Друга чорна діра існує в сузір’ї Гончих Псів – це TON 618, її маса дорівнює 66 мільярдам сонячних мас.
Чому чорні діри так називаються?
Свою назву ці космічні об’єкти отримали не через колір, а через особливу властивість – чорні діри здатні лише поглинати випромінювання. Ці небесні тіла неможливо побачити, світло від них не виходить, тому їх умовно назвали чорними. Про існування чорних дір можна дізнатися лише тоді, коли навколо них є якась матерія, з якою вони взаємодіють, – наприклад, газ або сусідня зірка.
Науковці припускають, що в космосі існують і протилежності чорних дір – білі діри. Якщо чорна діра – це місце, з якого ніщо не повертається, то біла діра – це місце, куди ніщо не потрапляє. Але на сьогодні існування таких об’єктів не доведено.
Як науковці дізналися про існування чорних дір?
Уперше ідею про існування чорних дір висунув англійський учений Джон Мічелл 1784 року. Він вважав, що в космосі є небесні тіла з таким сильним гравітаційним притяганням, що швидкість, необхідна для його подолання, перевищує швидкість світла. Тоді на цю теорію не звернули уваги.
Лише через 121 рік Альберт Ейнштейн запропонував теорію відносності, яка розглядала гравітацію як викривлення простору-часу. У 1916 році німецький астроном Карл Шварцшильд фактично описав гравітаційне поле чорної діри, що не обертається, а за 57 років фізик із Нової Зеландії Рой Керр довів, що загадковий небесний об’єкт може ще й обертатися.
Уперше «колапсар», як тоді називали чорну діру, науковці виявили 1964 року. Небесне тіло знаходилося в сузір’ї Лебедя, від якого виходило радіовипромінювання. Термін «чорна діра» вперше вжив американський фізик Джон Віллер три роки потому. А перше фото цього фізичного явища з’явилося лише 2019 року – міжнародна група астрономів використала вісім радіотелескопів, щоб отримати найдетальніше зображення центрального об’єкта галактики М87.
А як науковці знаходять чорні діри в космосі?
Перші спроби пошуку чорних дір науковці здійснили в 1960-ті роки – до цього просто не існувало телескопів, які могли б дати якісне зображення. Фізики висунули гіпотезу, що великі зірки народжуються парами й одна з них згодом стає чорною дірою. Тому спочатку вчені намагалися виявити космічний об’єкт, який обертається навколо іншого «невидимого», і визначити чорну діру за допомогою розрахунків. Але таким методом жодної чорної діри так і не знайшли.
Фізики припустили, що чорні діри, які розташовані поруч із зірками, можуть притягувати їх за допомогою гравітації. Наприкінці 1960-х – на початку 1970-х років на ракети встановили рентгенівські детектори, які справді змогли зафіксувати яскраве випромінювання від газу, що обертається навколо чорної діри. Так виявили перші чорні діри.
Щоб знайти підтвердження існування чорних дір, науковці також вивчали квазари – активні ядра галактик на початковому етапі розвитку, що випромінюють яскраве світло. Під час спостережень вони з’ясували, що всередині цих об’єктів містяться надмасивні чорні діри. Нині це найзрозуміліший спосіб пошуку чорних дір, і нові загадкові небесні тіла дедалі частіше відкривають саме так.
Виявити ці небесні тіла в космосі можна, якщо зафіксувати гравітаційно-хвильовий сплеск, який виникає під час злиття двох чорних дір. Також ці об’єкти сильно спотворюють простір навколо себе або можуть посилити блиск зірки – і мимоволі надіслати астрофізикам сигнал.
Як виникають і зникають чорні діри?
Науковці виокремлюють кілька причин утворення чорних дір. За однією з них, ці небесні тіла з’явилися внаслідок стиснення дуже масивної зірки під дією гравітаційних сил. Згідно з другою гіпотезою, під власною вагою «стискається» не окрема зірка, а частина галактики. Також, на думку фізиків, ці небесні тіла могли з’явитися після Великого вибуху через розширення Всесвіту. Такі об’єкти ще називають первинними чорними дірами. І, нарешті, фізичні явища могли виникнути в ядерних реакціях високих енергій. Подібні реакції використовують для вивчення частинок в адронних колайдерах.
Чи зникають чорні діри, достеменно невідомо. Існує гіпотеза, що чорні діри з часом втрачають свою масу й просто випаровуються. Але згідно з класичною теорією гравітації ці небесні тіла – об’єкти незнищенні.
Якщо в чорні діри все провалюється, то чи є в них дно?
Дна в чорній дірі немає. Вважають, що небесне тіло нескінченне. У чорній дірі не працюють звичні нам поняття «простір» і «час» і не діють відомі закони фізики. Але деякі фахівці припускають, що в небесному тілі є ділянка, де космічна матерія стискається до маленької точки, і сила тяжіння там може змінитися.
А що буде, якщо людина потрапить у чорну діру?
Деякі науковці вважають, що в разі потрапляння в чорну діру на космонавта чекає неминуча загибель. Людину може вбити радіація, вона може згоріти в хмарах газу акреційного диска або розтягнутися вертикально й горизонтально через сильний гравітаційний тиск.
2021 року група астрофізиків зі США назвала умови, за яких людина може відносно безпечно перетнути горизонт подій чорної діри: навколо неї не повинно бути акреційного диска й вона має бути надмасивною. Але поставити такий експеримент неможливо: найближча чорна діра розташована на відстані 1600 світлових років від Землі, вибратися з неї неможливо, як і передати звідти будь-яку інформацію.
Навіщо взагалі вивчають чорні діри?
Для Землі чорні діри можуть становити цілком реальну небезпеку. Гравітація небесного тіла здатна порушити орбіту планети й «пересунути» її ближче до Сонця або далі від нього, а також зіштовхнути з іншою планетою. Однак Земля перебуває надто далеко від відомих ученим чорних дір, тож астрофізики продовжують вивчати ці космічні об’єкти: спостерігати за відомими та шукати нові.
Загадкові небесні тіла залишаються одними з найпопулярніших об’єктів для вивчення в астрофізиці. Такий інтерес викликаний незвичайними властивостями цих небесних тіл. До того ж їх описує одна з основних теорій у фізиці – загальна теорія відносності Ейнштейна. «Вивчення чорних дір і будь-яке підтвердження їхнього існування та властивостей роблять величезний внесок у розуміння того, як загалом побудований світ», – зазначають астрофізики.