Суть чорних дірок: сингулярність, горизонт подій, спагеттифікація

Як відомо, першу фізико-математичну теорію гравітації сформулював у 1687 році Ісаак Ньютон. Введений ним закон всесвітнього тяжіння описував, як тіла взаємодіють одне з одним, але з пояснював природу цієї взаємодії. Сам учений визнавав обмеженість своєї теорії, написавши буквально таке: «Причину цих властивостей сили тяжіння я досі було вивести з явищ; гіпотез же я не вигадую».

Проте із закону Ньютона за бажання можна вивести незвичайні наслідки. Наприклад, вельми екзотичну гіпотезу висловив у 1784 році англійський дослідник і теолог Джон Мічелл. У листі до Королівського товариства, яке на той час було найвпливовішою науковою організацією світу, він наводив розрахунок «темного сонця» — зірки з силою тяжіння, що не дозволяє світла вирватися зовні. Виявилося, що для перетворення на подібний об’єкт наше Сонце має бути у п’ятсот разів більше. Далі Мічелл припустив: оскільки масивних зірок у космосі достатньо, серед них мають бути і «темні», але зі зрозумілих причин побачити їх ми не можемо. Пізніше французький математик П’єр-Сімон Лаплас популяризував ідею Мічелла, включивши її до своєї фундаментальної праці «Виклад системи світу» (Exposition du Système du Monde, 1796).

Хоча у ньютонівської теорії гравітації були опоненти, згодом вона стала загальноприйнятою, оскільки підтверджувалася спостереженнями та точнішими вимірами. Доопрацювати та розширити її потрібно на початку ХХ століття, коли з’ясувалося, що вона не працює, якщо тіло рухається з релятивістськими (тобто порівнянними зі швидкістю світла) швидкостями. До кінця 1915 Альберт Ейнштейн сформулював нову теорію гравітації, що отримала назву загальної теорії відносності (ОТО). Він припустив, що дія гравітації не пов’язана з жодними невідомими силами або частинками, а обумовлена геометричними властивостями самого просторово-часового континууму: будь-яка маса викривляє його, створюючи навколо себе свого роду «воронку», а рух тіл відносно один одного обумовлений тільки формою і глибиною цих «воронок».

Концепція Ейнштейна здавалася настільки революційною, що науковий світ не відразу її прийняв. Одним із доказів на користь ЗТО могло б стати виявлення «заморожених зірок» — сферичних надмасивних областей простору, які за допомогою рівнянь Ейнштейна описав Карл Шварцшильд. На відміну від ідеї Мічелла, у новій моделі до нуля сповільнювалася не швидкість світла, але сама течія часу. Шварцшильд запровадив поняття гравітаційного радіусу, визначального розмір, необхідний «замерзання» зірки.

Радіус Шварцшильда можна розрахувати для будь-якого тіла: наприклад, для Сонця він становить 3 км, Землі — близько 9 мм. Якби існувала фізична можливість стиснути наше світило чи планету до вказаних розмірів без миттєвого вибуху з переходом матерії в енергію, вони перетворилися б на «заморожені», а протягом часу їх поверхні відразу зупинилося б. З іншого боку, якщо маса вихідного об’єкта значна, то нема чого стискати його до гранично малих розмірів: скажімо, «заморожена зірка» масою мільярд сонячних матиме щільність води.

На початку 1930-х років молодий індійський фізик Субраманьян Чандрасекар досліджував будову зірок. Він теоретично показав, що в залежності від початкової маси вони еволюціонують по-різному. Якщо маса зірки менше 1,4 сонячних, то спалюючи в міру старіння своє ядерне паливо, вона скине оболонку і перетвориться на білого карлика. Якщо маса зірки більша за цей умовний кордон, який пізніше назвали «межою Чандрасекара», то після скидання оболонки вона стискатиметься в нейтронну зірку.

Інші фізики, серед яких були Фріц Цвіккі і Лев Ландау, у серії робіт показали, що нейтронні зірки утворюються в результаті вибуху наднових, але не завжди: найпотужніші з них переходять в інший стан.

Але яке? У 1939 році Роберт Оппенгеймер (один із майбутніх творців американської атомної бомби) та Хартланд Снайдер на спрощеній математичній моделі показали, що зірка при колапсі стягується до радіусу Шварцшильда і навіть долає його! Висновок виглядав настільки фантастичним, що вчені на той час не наважилися зробити наступний крок і заявити: «заморожені зірки» справді існують.

Подальші дослідження та розрахунки, проте, показали: нічого неймовірного в цьому немає. Масивні зірки завжди перетворюються на «заморожені», сила тяжіння поблизу яких прагне нескінченності, а час зупиняється. І, головне, таких об’єктів у Всесвіті має бути дуже багато, адже його еволюція розпочалася не вчора. Тепер астрономи мали підтвердити або спростувати теоретичні викладки.

Поступово визначилася термінологія. Встановлено, що першим на початку 1960-х років «заморожену зірку» став називати «чорною дірою» американець Роберт Дік, який у своїх лекціях порівнював цей гіпотетичний об’єкт із легендарною «Калькуттською чорною дірою» — маленькою тюремною камерою форту Вільям, де в червні загинули десятки полонених англійців

Новий термін сподобався насамперед журналістам: з 1963 року він почав постійно з’являтися на сторінках журналів Life та Science News. У студентському середовищі нова назва прижилася після того, як у січні 1964 року Енн Юінг виступила на конференції Американської асоціації сприяння науці з доповіддю «Чорні дірки в космосі». Незважаючи на це, авторство терміна помилково приписують американському фізику Джону Уілеру, який вживав його у своїх лекціях, починаючи з грудня 1967 року.

Зрозуміло, чорними дірками зацікавились і фантасти. Незвичайний космічний об’єкт, гравітація якого настільки велика, що зупиняє час, розбурхував уяву. У романі «Шпага Ріаннона» (1949), що нині вважається класикою, знаменита Лі Брекетт описала «міхур темряви», через який персонаж вирушає в минуле Марса:

Ця бульбашка з пульсуючою чорнотою — до чого вона схожа на чорноту тих густо-чорних плям, що знаходяться далеко-далеко на краю Галактики, які деякі вчені вважають отворами в саму нескінченність, вікнами в нескінченне «поза» нашого Всесвіту.

З того часу чорні дірки стали все частіше з’являтися на сторінках фантастичних книг та журналів. Їх розглядали насамперед як загрозу зорельотам майбутнього або як «місце ув’язнення» неймовірно давніх та могутніх істот. Втім, починаючи з першої половини 1970-х років чорні дірки у фантастиці стали все більше схожі на ті описи, що давали фізики.

Вчені досить швидко визначилися зі структурою чорних дірок, що вдалося описати за допомогою ОТО. У рамках цієї теорії чорна діра описується не як речовина чи енергія, а як потужне гравітаційне поле, сконцентроване в жахливо викривленій області просторово-часового континууму. Її зовнішня межа є замкненою поверхнею, яка отримала назву «горизонт подій»; якщо перед колапсом зірка не оберталася, то радіус цього кордону збігається із радіусом Шварцшильда.

Зовні чорна діра веде себе як звичайний космічний об’єкт, тільки дуже важкий. Якщо ми пошлемо в її бік зонд, що буде передавати світлові сигнали через рівні проміжки часу, то при наближенні до «горизонту подій» зауважимо, що інтервали між сигналами збільшуються, оскільки час на борту сповільнюється. Довжина світлової хвилі, що випускається зондом, стрімко зростатиме, і незабаром сигнал перетвориться на радіохвилі, а потім — на низькочастотні електромагнітні коливання, зафіксувати які майже неможливо.

Як тільки зонд перетне «горизонт», інформація з борту надходити перестане. При цьому апарат вплине на чорну дірку, передавши їй свою масу, електричний заряд та момент обертання. Усередині дірки зонд почне падати до її центру — сингулярності, яка для нерухомої дірки є крапкою, а для обертової — кільце; діаметр сингулярності не може перевищувати довжину Планка-Уїлера, рівну 1,62×10-33 см. З точки зору зовнішнього спостерігача, зонд падатиме в центр діри вічно, проте насправді його розірвуть припливні сили, що ростуть. Цей процес називають “спагеттифікацією”: об’єкт різко розтягується по вертикалі і стискається по горизонталі.

Описана модель проіснувала недовго. У 1965 році американець Езра Ньюман, використовуючи ОТО в модифікації новозеландця Роя Керра, описав варіант чорної діри, що обертається, з потужним електричним зарядом. Виявляється, у такому разі дірка буде оточена ергосферою, яку можна покинути, не впавши у сингулярність. Більше того, з подальших розрахунків випливало, що сингулярність такої дірки працюватиме як «червоточина» — тунель до інших всесвітів чи навіть інших епох. Зрозуміло, настільки багатою ідеєю майже відразу скористалися фантасти: наприклад, спосіб транспортування через чорні дірки описаний у романі Джо Холдемана «Нескінченна війна» (1974).

Цікаві наслідки мала і спроба застосувати до чорних дірок квантову механіку. Її зробив у 1975 році знаменитий фізик Стівен Хокінг. Флуктуації вакууму безперервно породжують пари віртуальних частинок (частку та античастинку), які за звичайних умов відразу «гинуть». Однак якщо така пара матеріалізується на “горизонті подій”, то одна частка провалиться до сингулярності, а інша за сприятливих умов вилетить назовні. В результаті дірка перетворюється на джерело випромінювання, яке назвали «випаром Хокінга». З його викладок також випливало те, що можуть існувати короткодіючі діри мікронних розмірів: під час випаровування вони повинні виділяти колосальну кількість енергії.

Ідеї Хокінга, які він активно просував у своїх науково-популярних роботах, швидко перекочували й у фантастику: скажімо, мікроскопічні дірки використовують для виробництва енергії персонажі роману Джона Варлі «Гаряча лінія Офіуті» (1977).

За десятиліття вчені описали безліч теоретичних моделей чорних дірок, і визначити, які їх вірні, можна лише з допомогою астрономічних спостережень. Оскільки побачити дірки неможливо, доводиться вдаватися до непрямих методів.

Наприклад, якщо поряд з чорною дірою знаходиться велика зірка, то діра втягує речовину цієї зірки (процес називається акрецією). При цьому навколо дірки рахунок обертального моменту формується акреційний диск, газ у якому розганяється до релятивістських швидкостей і нагрівається так, що починає випромінювати в рентгенівському діапазоні. Відповідно, диск і саму чорну дірку можна виявити рентгенівським телескопом. На жаль, цим методом важко відрізнити дірки від нейтронних зірок. Необхідно розглянути важливу відмінність: газ, що падає на тверду поверхню, продовжує інтенсивно випромінювати, а той, що наближається до «горизонту подій», швидко меркне.

Саме такий ефект був виявлений під час спостереження за рентгенівським джерелом Лебідь X-1 (Cygnus X-1), відкритим у 1964 році. Він знаходиться в 6070 світлових роках від нас і є подвійною системою, що складається з блакитного надгіганта HDE 226868 і чорної дірки з масою 14,8 сонячних і радіусом «горизонту подій» близько 300 км. Матерія в акреційному диску нагрівається до мільйонів градусів, генеруючи рентгенівське проміння.

При цьому з диска б’ють два перпендикулярні струмені, що відносять частину матеріалу, що набігає, в міжзоряний простір. Цікаво, що у грудні 1974 року подвійний об’єкт Лебідь X-1 став предметом дружньої парі між фізиками Стівеном Хокінгом та Кіпом Торном: Хокінг зробив ставку на те, що чорної діри там немає. Він визнав програш у 1990 році, коли численні спостереження підтвердили думку його колеги. Торн отримав річну передплату на журнал Penthouse.

Моделі показують, що чорні дірки можуть зіштовхуватися та зливатися один з одним. В результаті утворюються об’єкти масою в мільйони та мільярди сонячних. Сьогодні астрофізики вважають, що подібні тіла знаходяться в центрах більшості галактик, включаючи Чумацький Шлях. Наша центральна надмасивна чорна діра Sagittarius A* розташована у сузір’ї Стрільця, на відстані близько 26 тисяч світлових років. Дивна назва об’єкта — це жарт учених: Роберт Браун, який виявив чорну дірку астроном, заявив, що відкриття його «дуже розбурхало», а зірочками в квантовій фізиці позначають «збуджені стани» атомів.

Багато шуму наробило квітневе повідомлення групи вчених із проекту Event Horizon Telescope, що поєднує потужності восьми радіотелескопів у різних районах земної кулі. Вони заявили, що вперше в історії отримали пряме зображення тіні надмасивної чорної діри. Ця дірка знаходиться в центрі галактики М 87 (Messier 87), розташованої в сузір’ї Діви на відстані 53500000 світлових років від нас. На те, щоб опрацювати астрономічні дані та підготувати на їх основі історичний знімок, пішло два роки. Це досягнення підтвердило: модель чорних дірок, побудована на основі ОТО, найближча до дійсності. На жаль, воно ж поставило хрест на гіпотезі про «червоточини» — потрапити через чорні дірки в інші простори чи епохи неможливо в принципі.

На тлі останніх відкриттів деякі космологи, зневірившись після багаторічних спроб описати всесвіт за допомогою квантових теорій, і зовсім стали висувати чорні дірки на роль загадкової темної матерії, яка становить більшу частину маси всесвіту. Більше того, з цієї гіпотези астронома Ніка Горькавого випливає, що весь наш всесвіт розташований усередині чорної дірки, а в її центрі знаходиться не сингулярність, а звичайнісінький простір. Правда це чи ні, поки що невідомо: подивимося, що покажуть дані.

Втім, безпосереднє вивчення чорних дірок ще тільки починається. І ніхто сьогодні не може сказати, куди заведе науку бажання заглянути до «бульбашки темряви»…