ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису

    Все, що потрібно знати про чорні діри – начитав Павло Козирєв

    00:00
    00:00
    Космос — 10.04.19
    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Тарас Макар
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Все, що потрібно знати про чорні діри

    10 квітня астрономи опублікували перше зображення надмасивної чорної діри, яке сформували із даних восьми телескопів з усього світу. На зображенні газовий диск обертається навколо надмасивної чорної діри в галактиці М87 на відстані 54 млн світлових років від Землі, а посередині – тінь чорної діри.

    А що таке ці чорні діри, чому наша планета завдячує чорним дірам своїм існуванням і до чого тут знову Айнштайн?

    У 1783 році англійський природознавець і священик Джон Мішел, роздумуючи про те, що рух фотонів світла мусить залежати від гравітаційного поля зірки, яка їх випромінює, поставив запитання: а що буде, коли гравітаційне поле зорі буде настільки потужним, що взагалі не випустить жодного фотона?

     

    Саме розрахунки Джона Мішела та П’єра-Симона Лапласа маси тіла з густиною води, для якого друга космічна швидкість перевищує швидкість світла (~300 тис. км/с) стали першою згадкою у фізиці про чорні діри як про концепт надважких об’єктів, що власною гравітацією не дозволяють покинути свою поверхню навіть світлу.

     

    Ці обчислення були здійснені в межах закону тяжіння Ньютона, який, як ми тепер точно знаємо, дає неправильні передбачення, якщо йдеться про об’єкти з надвеликою масою чи про швидкості, близькі до світлових.

     

    Припущення про існування таких космічних об’єктів ігнорували до того часу, поки Альберт Айнштайн 1915 року не сформулював теорію, що правильно описує такі ситуації, – це була його знаменита загальна теорія відносності, яка донині ще не провалила жодної перевірки спостереженням.

     

    Столітній ювілей теорії людство відсвяткувало особливим чином: 2015 року були вперше зареєстровані гравітаційні хвилі – одне з передбачень теорії, яке важко зафіксувати. Одразу ж за кілька місяців після публікації загальної теорії відносності німецький фізик та астроном Карл Шварцшильд запропонував точний розв’язок її рівнянь. Він описував гравітаційне поле точкової та сферичної маси.

     

    Цей сферично-симетричний розв’язок мав особливу точку – радіус, який тепер називається радіусом Шварцшильда (або гравітаційним радіусом), де певні фізичні величини ставали сингулярними, тобто нескінченно великими. Однак на той час це все були лише теоретичні вправи, припущення.

    Чорні діри – кінцевий етап життя зір

    У 1930-50-х роках астрофізика лише зароджувалась: тільки-но були відкриті ядерні сили, і вчені починали розуміти, чому зорі взагалі сяють – яка саме енергія перетворюється в світло. За шалених температур і тиску в зорі, що утворюється, спалахують термоядерні реакції. Під час спалаху виділяється величезна кількість енергії. Саме це і дає довге життя зіркам, стримуючи їх від гравітаційного колапсу чи згасання.

     

    Однак запаси термоядерного палива в будь-якій зорі не безмежні: спочатку весь водень у ядрі перетвориться в гелій, потім вигорить і він, стаючи вуглецем. Далі, залежно від маси зорі, можливі варіанти. У 1931 році індійський учений Субрахманьян Чандрасекар показав, що якщо зоря важча за 1,4 маси Сонця, то бути стабільною у вигляді газової кулі після вигорання термоядерного палива вона не може.

     

    Так він теоретично передбачив існування нейтронних зірок – надкомпактних важких об’єктів у вигляді нейтронного газу, в якому електрони «падали» на ядра атомів, не маючи змоги протистояти величезній гравітації. Через це в атомах залишалися лише нейтрони.

     

    А 1939 року американець Роберт Оппенгаймер показав, що навіть нейтронний газ не здатний протистояти гравітації, якщо початкова маса зорі була більшою за три маси Сонця. Наразі нам не відомі сили природи, що могли б завадити зорі колапсуватиКолапс – дуже швидке стиснення зірки під дією гравітаційних сил до радіуса меншого за її гравітаційний радіус, тож така зоря загине у грандіозній катастрофі – колапсує в чорну діру.

     

    Отже, чорні діри – кінцевий етап життя зір, які під час народження були щонайменше втричі важчі за наше Сонце і які під дією сил гравітації сколапсували до розміру свого гравітаційного радіуса, який і вважають їхнім реальним радіусом.

     

    Тут знову дає про себе знати загальна теорія відносності. Річ у тому, що надзвичайно велике значення гравітаційного поля, що створюється таким колапсуючим об’єктом, приводить до того, що ефекти загальної теорії відносності стають помітними, навіть гігантськими.

     

    Зокрема дуже сповільнюється час з точки зору зовнішнього спостерігача в областях з великою напруженістю гравітаційного поля, поблизу радіуса Шварцшильда. Простіше кажучи, теорія передбачає, що на відстані самого радіуса до центру чорної діри час з боку зовнішнього спостерігача завмирає, жоден сигнал, включно зі світлом, не має змоги покинути область із радіусом меншим та рівним гравітаційному радіусу чорної діри.

    Такі теоретичні об’єкти спочатку називали «замороженими зорями» (англ. frozen stars). Тільки 1967 року Джон Вілер вперше вжив термін чорна діра, а тепер для чорних дір використовують визначення колапсуючі об’єкти.

     

    Таким чином, повністю сформовану чорну діру зовнішній спостерігач ніколи не побачить – останні сигнали, що передали б образ такого об’єкта, ніколи не покинуть саму чорну діру. Натомість учені можуть судити про те, чи є об’єкт чорною дірою, за тим, як він впливає на середовище довкола.

     

    Чорні діри неймовірно розігрівають газ, що на них падає, викривлюють світло, що проходить повз, гравітаційно впливають на динаміку об’єктів поруч, навіть маючи при цьому дуже малі розміри.

     

    1960-70-ті роки стали тріумфом теоретичних передбачень у астрофізиці. 1967 року через спостереження були відкриті нейтронні зорі. Із зародженням рентгенівської астрономіїРентгенівська астрономія вивчає астрономічні об’єкти в діапазоні рентгенівських променів дійшла черга і до чорних дір.

     

    Наприклад, 1964 року був відкритий об’єкт Cygnus X-1 – потужне джерело рентгенівського випромінювання. Згодом виявилось, що це подвійна зоря. І тут один із компаньйонів у цій парі проявив одразу дві цікаві властивості

     

    Подвійні зоряні системи намертво зв’язані законами Кеплера

    По-перше, його маса виявилась більшою за критичну, визначену Оппенгаймером. Астрономи люблять подвійні системи, в яких дві зорі кружляють у гравітаційному танці одна навколо одної. Річ у тому, що в таких системах легко можна визначити масу обох партнерів, вимірюючи одночасно період обертань та відстань між ними, оскільки вони намертво зв’язані законами Кеплера.

     

    По-друге, світність цього компаньйона змінювалась дуже швидко – за тисячні долі секунди, хоча один із постулатів теорії відносності Айнштайна накладає обмеження на таку зміну. Адже згідно з нею, швидкість поширення інформації та світла має добре відоме граничне значення.

     

    А для того, щоб світність усього об’єкта змінилася, потрібен час щонайменше для того, аби світло пройшло від одного його краю до іншого. З цих фактів випливало, що розмір цього компаньйона мусить бути всього лиш кілька кілометрів у діаметрі – саме такими є гравітаційні радіуси об’єктів із зоряними масами. Так чорна діра, абсолютно чорний об’єкт, видала свою присутність у цій системі.

    Згодом учені виявили зовсім інший клас чорних дір, не пов’язаних із зоряною еволюцією. Ними виявилися надмасивні чорні діри в центрі галактик – зокрема і в центрі нашого Чумацького шляху. Маси таких об’єктів – мільйони або й мільярди мас Сонця. Вчені спостерігали за такими чорними дірами ще до того, як дізналися, чим вони є.

     

    Наприклад, квазари (згустки енергії, видимі в діапазоні радіохвиль або навіть у діапазоні видимого світла), відомі ще з першої половини 1960-х, – найяскравіші (в абсолютних величинах) спостережені об’єкти у Всесвіті. Вони є нічим іншим як далекими галактиками з активними ядрами – надмасивними чорними дірами, що шалено розігрівають газ під час акреції. Він і випромінює цю шалену кількість енергії.

     

    Нашій галактиці пощастило – чорна діра в її центрі відносно спокійна. А от в більшості інших галактик ядра чорних дір активні, і вони випалюють своїм жорстким рентгенівським випромінюванням околиці. Тож, можливо, життя на Землі з’явилося завдяки ще й такій винятковості Чумацького шляху.

    ТЕКСТ: Максим Ціж
    Ілюстрації: Тарас Макар
    Статті
    Медицина
    Невидимий ворог на нашій землі: чому варто зробити щеплення від правця

    За останні декілька місяців українці навчились остерігатись багатьох речей: ракет, мін, російської музики та ютубу, але ми все ще забуваємо про невидимого ворога у нашій землі. Неприємно познайомитись – Clostridium tetani, збудник правця.

    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: