Черные діри

Черные дыры.

1. Чорні дыры

Термин «чорна діра «з'явився нещодавно. Його узвичаїв в 1969 р. американського вченого Джон Уилер як мета-форическое вираз уявлення, виниклого по крайнього заходу 200 років тому я, коли була дві теорії світла: У першій, кото-рой дотримувався Ньютон, вважалося, що світло складається з частинок; відповідно до ж другий теорії, світло — це хвилі. Сьогодні ми знаємо, що у насправді обидві вони правильні. З огляду на принципу частично-волнового дуалізму квантової механіки світло може рассматривать-ся як і частки, як і хвилі. Теоретично, в якої світло — хвилі, було ясно, як діятиме нею гравітація. Якщо ж таки світло — потік частинок, можна вважати, що гравітація діє них як і, як у гарматні ядра, ракети і планети. Спочатку вчені думали, що частки світла переміщують із безкінечною швидкістю і тому гравітація не може їх уповільнити, але Рёмер встановив, що швидкість світла кінцева, стало ясно, що гравітації може бути существенным.

Исходя від цього Джон Мичел, викладач з Кембриджа, в 1783 р. подав журнал «Філософські праці Лондонського Королівського суспільства «своєї роботи, в якій він символізував те, що досить масивна і компактна зірка повинна мати настільки сильне гравітаційного поля, що світло зможе вийти над його межі: будь-який промінь світла, испущенный поверхнею такий зірки, яка встигла відійти від нього, буде втягнутий назад її гравітаційним притяганням. Мичел вважав, що таких зірок може дуже багато. Попри те що що їх можна побачити, так як його світло неспроможна до нас дійти, ми тим щонайменше повинні відчувати їх грави-тационное тяжіння. Такі об'єкти називають зараз черны-ми дірами, і цей термін відбиває їхнє суть: темні безодні осіб у космічному просторі. Через кілька багатьох років після Мічела і Французький учений Лаплас висловив, очевидно, незалежно від цього аналогічне припущення. Цікаво, що Лаплас включив його лише друге видання книжки «Система світу », але вилучив зі пізніших видань, вважаючи, напевно, чер-ные діри маревною ідеєю. (До того ж у ХІХ ст. корпускулярна теорія світла втратила популярність. Стало здаватися, що це явища можна пояснити з допомогою хвильової теорії, а ній вплив гравітаційних сил світ зовсім було очевидным.).

На насправді світло не можна розглядати, як гарматні ядра теоретично тяжіння Ньютона, тому що швидкість світла фиксиро-вана. (Гарматне ядро, вылетевшее вгору із поверхні Землі через гравітації уповільнюватиметься і наприкінці кінців зупиниться, і потім почне падати. Фотон має продовжувати дви-жение вгору із постійною швидкістю. Які ж тоді ньютоновская гравітація може впливати світ?) Послідовна тео-рия взаємодії світла, і гравітації була відсутня до 1915 р. коли Ейнштейн запропонував загальну теорію відносності. Проте після цього минуло багато часу, поки стало нарешті ясно, яких висновків взято з теорії Ейнштейна щодо мас-сивных звезд.

Чтобы зрозуміти, як виникає чорна діра, треба згадати у тому, який життєвий цикл зірки. Зірка утворюється, коли кількість газу (переважно водню) починає стискатися сила-ми власного гравітаційного тяжіння. У процесі стискування атоми газу частіше й частіше зіштовхуються друг з одним, двига-ясь зі все великими великими швидкостями. Через війну газ розігрівається і наприкінці кінців стає таким гарячим, що ато-мы водню, замість відскакувати друг від друга, будуть зливатися, створюючи гелій. Тепло, яке вирізняється у цій реакції, який нагадує керований вибух водневої бомби, і вы-зывает світіння зірки. Через додаткового тепла тиск газу зростає до тих пір, доки врівноважує гравітаційне притя-жение, після чого газ перестає стискатися. Це трохи напоми-нает надутий гумовий кулька, у якому встановлюється равно-весие між тиском повітря всередині, який змушує кулька разду-ваться, і натягом гуми, під впливом якого кулька сжи-мается. Подібно шарику, зірки будуть довго залишатися у стабиль-ном стані, в якому выделяющимся в ядерних реакціях теп-лом врівноважується гравітаційне тяжіння. Але наприкінці кон-цов у зірки скінчиться водень інші види ядерного палива. Хоч як парадоксально, але початковий запас палива у зірки, то швидше воно виснажується, бо компенсації гравітаційного тяжіння зірці треба тим більше розігрітися, що більше її маса. І чим гаряче зірка, то швидше расходует-ся її паливо. Запасу палива на Сонце вистачить приблизно за у п’ять тисяч мільйонів років, а більш важкі зірки витратять своє паливо за сто мільйонів років, т. е. під час, набагато меньш^ віку Всесвіту. Витративши паливо, зірка починає охлаж-даться і стискатися, тоді як що із нею відбувається потім, з’ясувалося аж наприкінці двадцятих років нашого века.

В 1928 р. Субраманьян Чандрасекар, аспірант з Індії, вирушив морем до Англії, в Кембридж, аби пережити там курс навчання в найбільшого фахівця у галузі загальної теорії от-носительности Артура Еддінгтона. (Кажуть, на початку двадцятих років журналіста сказав Эддингтону, що він чув, ніби світі лише три людини розуміють загальну теорію относитель-ности. Эддингтон, помовчавши, сказав: «Гадаю — хто ж саме третій? »). під час своєї подорожі з Індії Чандрасекар обчислив, розміру мусить бути зірка, щоб, витративши цели-ком своє паливо, вона все-таки міг би протистояти воздей-ствию власних гравітаційних сил. Чандрасекар розмірковував так. Коли зірка зменшується, частки речовини дуже зближуються друг з одним і з принципу заборони (винятку) Паулі їх швидкості повинні всі більше різнитися. Отже, частки прагнуть розійтися і яскрава зоря розширюється. Отже, радіус зірки може утримуватися постійним завдяки равно-весию між гравітаційним притяганням і які виникають у силу принципу Паулі відштовхуванням, точнісінько як у більш ранній стадії розвитку зірки гравітаційні сили врівноважувалися її тепловим расширением.

Однако Чандрасекар розумів, що відштовхування, обумовлене принципом Паулі, не безмежно. Відповідно до теорії относитель-ности, максимальна різниця швидкостей частинок речовини в зірці дорівнює швидкості світла. Це означає, що, коли зірка стає досить щільною, відштовхування, обумовлене принципом Пау-ли, має поменшати, ніж гравітаційне тяжіння. Чандрасекар розрахував, що якщо маса холодної зірки більш ніж півтора разу перевищує масу Сонця, то ця зірка зможе протистояти власної гравітації. (Дане значення маси тепер називаються межею Чандрасекара.) Приблизно тоді водночас аналогічне відкриття зробив радянський фізик Л. Д. Ландау.

Выводы Чандрасекара і Ландау мали важливі слідства от-носительно долі зірок з великий масою. Якщо маса зірки менше краю Чандрасекара, вона наприкінці кінців може пере-стать скорочуватися, перетворившись на «білого карлика «- одне з можливих кінцевих станів зірки. «Білий карлик «має у радіусі кілька тисячі кілометрів, щільність — сотні тонн на кубічний сантиметр і утримується в рівновазі завдяки отталкиванию електронів у його речовині, отталкиванию, що виникає через принципу Паулі. На небі видно чимало білих Орликів. Серед перших відкрили білий карлик, обертався навколо Сиріуса, — найяскравішою зірки на нічному небе.

Ландау показав, що зірка може й й інші кінцевому стані, гранична маса якого дорівнює одним-двом масам Сонця, а розміри навіть менше, ніж в білого карлика. Ці зірки також мають існувати завдяки яка виникає через принципу Паулі отталкиванию, але з між електронами, а між протонами і нейтронами. Тому такі зірки дістали назву нейтронних зірок. Їх радіус максимум кільком десятків кілометрів, а щільність — сотні мільйонів тонн на ку-бический сантиметр. Коли Ландау передбачив нейтронні зірки спостерігати їх хто б вмів, а реальна можливість їх спостереження з’явилася значно позже.

Если маса зірки перевищує межа Чандрасекара, те, коли її паливо закінчується, виникають великі труднощі. Щоб уникнути катастрофічного гравітаційного колапсу, зірка може взор-ваться чи якимось чином викинути з себе частину речовини щоб маса стала менше максимальної. Важко, проте, повірити що це з усіма зірками незалежно від своїх розмірів. Як зірка дізнається, що часі втрачати вагу? І навіть якби кожної зірці вдалося втратити у вазі настільки, щоб уникнути коллап-са, те, що було б, якщо б ми збільшили масу білого карли-ка чи нейтронної зірки що вона перевищила б межа? Можливо, тоді стався колапс і щільність зірки стала безкінечною? Эддингтон був такий цим вражений, що відмовився ве-рить результату Чандрасекара. Він вважає просто неможливим, щоб зірка сколлапсировала в точку. Такий позиції придержива-лось більшість учених: сам Ейнштейн заявив на своїй статті, що зірки що неспроможні стискатися до нульових розмірів. Враждеб-ное ставлення учених, особливо Еддінгтона, який був охарактеризований першим учителем Чандрасекара і головним авторитетом в иссле-довании будівлі зірок, змусили Чандрасекара кинути роботу у колишньому напрямку і переключитися інші завдання астро-номии, такі, як рух зоряних скупчень. Проте Нобелев-ская премія 1983 р. була, по крайнього заходу частково, присуджена Чандрасекару за ранні роботи, пов’язані з граничною масою хо-лодных звезд.

Он показав, що якщо маса зірки перевищує межа Чанд-расекара, то принцип заборони неспроможна зупинити її колапс, а завдання у тому, що має відбутися з такою зіркою відповідно до загальної теорії відносності, першим вирішила 1939 р. молодий американський фізик Роберт Опенгеймер. Але із наслідків Оппенгеймера слід було, що з допомогою які існували теле-скопов не можна спостерігати ні одне із передбачених ефектів. Потім почалася друга світова війна, і саме Опенгеймер вплот-ную зайнявся розробкою створення атомної бомби. По закінченні війни про гравита-ционном колапс цілком забули, адже більшість учених було захоплено вивченням явищ атомних і ядерних масш-табов. Однак у шістдесятих роках завдяки новітній бойовій техніці число астрономічних спостережень сильно зросла, які область значи-тельно розширилася, що викликало відродження інтересу до астроно-мии і космології. Результати Оппенгеймера були наново відкриті і розвинені далі багатьма физиками.

В результаті завдяки Оппенгеймеру маємо зараз таку картину. Через гравітаційного поля зірки промені світла простран-стве-времени відхиляються від траєкторій, за якими пе-ремещались в відсутність зірки. Світлові конуси, вздовж поверх-ности яких поширюються випущені з їхньої вершин свето-вые промені, близько поверхні зірки трохи нахиляються всередину. Це виявляється в що спостерігається під час сонячного затемнення ис-кривлении світлових променів, що йдуть віддалених зірок. Принаймні стискування зірки збільшується гравітаційного поля їхньому поверхно-сти і світлові конуси нахиляються ще більше. Тому свето-вым променям, испущенным зіркою, стає дедалі тяжче вийти межі гравітаційного поля зірки, і віддаленому спостерігачеві її світіння здаватиметься тьмяним і більше червоним. У результаті розширення зрештою, коли під час стискування радіус зірки досягне деякого критичної позначки, гравітаційного поля біля її поверхні ста-нет дуже сильним, і тоді світлові конуси настільки повернуться всередину, що світло не зможе більше вийти назовні. За теорією відносності ніщо неспроможна рухатися швидше світла; а раз світло неспроможна вийти назовні, те й ніхто інший об'єкт не зможе вийти, т. е. усе почне втягуватися тому гравитацион-ным полем. Це отже, що існує певний безліч собы-тий, т. е. якась область простору-часу, з якої невозмож-но вийти назовні, і досягти віддаленого спостерігача. Така область називається зараз чорної дірою. Кордон чорної діри називають обрієм подій. Вона збігаються з шляхами тих світлових променів, які перші з всіх втрачають можливість межі чорної дыры.

Чтобы зрозуміти, що побачимо б, якби дивилися на обра-зованием чорної діри при колапс зірки, треба згадати, що у теорії відносності відсутня абсолютне час і в кожного спостерігача своя міра часу. Через те, що зірка має гра-витационное полі, для спостерігача на зірці час буде таких як для віддаленого спостерігача. Припустимо, що якийсь відважний астронавт перебуває в поверхні колапсуючої зірки й колапсує всередину разом із ній. Нехай навіть він щосекунди за своїми годинах посилає сигнали на космічний корабель, котрий звертається орбітою навколо зірки. Якогось моменту време-ни по його годинах, скажімо в 11:00, зірка стиснеться до радіуса нижче критичного, при якому гравітаційного поля стає на-сколько сильним, що нічого неспроможна вийти назовні, і тоді сиг-налы цього сміливця большє нє потраплять на космічний корабель. Аби наблизитися часу до 11:00 інтервали між черговими сигналами, які астронавт посилає своїм супутникам на космічний корабель, будуть подовжуватись, але до 10:59:59 цей ефект буде невеликий. Між сигналами, які астронавт за своїми годинах пошле в 10:59:58 і 10:59:59, на космічний корабель пройде трохи більше секунди, але сигналу, посланого астронавтом в 11:00, їм доведеться чекати вічно. Світлові хвилі, випущені із поверхні зірки між 10:59:59 і 11:00 щогодини астронавта, будуть, з погляду пасажира космічного корабля, розмазані по бесконеч-ному періоду часу. Часовий інтервал між двома хвилями, які надходили друг за іншому вздовж, дедалі час увеличи-ваться, і тому випромінюваний зіркою світло буде безупинно осла-бевать видаватися дедалі більше червоним. Зрештою зірка досягне такого рівня тьмяною, що її не побачать з борту космічного корабля: від нього залишиться лише чорна діра у просторі. У цьому вздовж продовжуватиме діяти гравитацион-ное тяжіння зірки, тож він продовжить своє рух щодо орбіті навколо чорної дыры.

Но цей сценарій ні реалістичний за такою причини. При віддаленні зірки її гравітаційне тяжіння слабшає, тож ноги нашого відважного астронавта завжди будуть испыты-вать сильніше гравітаційне вплив, ніж голова. Разни-ца в величині сил призведе до того що, що астронавт або виявиться витягнутим, як спагеті, або розірветься на частини ще до його того, як розміри зірки скоротяться до критичного радіуса, коли виникає обрій подій! Але ми вважаємо, що у Всесвіті існують значно більші об'єкти, наприклад центральні об-ласти галактик, які можуть перетворюватися на чорні діри через гравітаційного колапсу. Тоді, перебуваючи одному з та-ких об'єктів, астронавт ні б розірваний на частини ще до його образо-вания чорної діри. Насправді він не відчув нічого особливого, коли радіус зірки сягнув би критичної позначки, і геть міг би спрацювати, не помітивши, точку, яку розпочинається сфера, звідки не можна повернутися тому. Але найбільше кілька годин, коли ця галузь почала б коллапсировать, різниця гравита-ционных сил, діючих на ноги і голову, зросла б отак сильно, що його знову розірвало на части.

В роботі, що з Роджером Пенроузом виконали в пе-риод з 1965 по 1970 р., було показано, що, відповідно до загальної теорії відносності, у чорній дірку мусить бути сингулярність, у якій щільність і кривизна простору-часу нескінченні. Ситуація схожа на великий вибух в останній момент початку відліку часу із тією лише різницею, що це означала б кінець часу для астронавта й у коллапсирующего тіла. У цьому сингулярной точці порушувалися б закони науки, чому ми втратили б здатність пророкувати майбутнє. Але це втрата не торкнулася би й спостерігача, який би поза чорної діри, оскільки перед ним не дійшов б не світловий, ні якийсь інший сигнал, який із сингулярності. Під впливом цієї дивного факту Роджер Пенроуз висунув «гіпотезу космічної цензури », що можна так сформулювати: «Бог не терпить голою сингулярності «. Други-ми словами, сингулярності, які виникли у результаті гравитацион-ного колапсу, з’являються лише місцях на кшталт чорних дір, де обрій подій надійно укриває їхню відмінність від поглядів ззовні. У принципі, це гіпотеза слабкої космічної цензури (як його і назы-вают зараз): завдяки їй спостерігачі, які перебувають за предела-ми чорної діри, захищені щодо наслідків те, що в сингуляр-ности втрачається здатність пророкувати майбутнє, але це гіпотеза щось дає для порятунку нещасного астронавта, що впав у чорну дыру.

Существуют рішення рівнянь загальної теорії отно-сительности, що дозволяють астронавтові побачити голу син-гулярность; може вивернутися від сингулярності і, пролетівши через «кротячу нору », вийшла у іншої галузі Всесвіту. Такий варіант надав б широкі змогу подорожі у просторі і часу, але, на жаль, всі ці рішення, по-ви-димому, сильно нестабільні. Найменше обурення, наприклад присутність астронавта, міг би так змінити рішення, що астро-навт не побачив б сингулярність впритул до сутички з ній, що його існуванню прийшов би кінець. Інакше кажучи, син-гулярность була б завжди у її майбутнє і в прош-лом. Сильна формулювання гіпотези космічної цензури така: сингулярності реалістичного рішення повинні прагнути бути завжди або повністю у майбутньому (як у гравітаційного колапсу), або повністю у минулому (як у великого вибуху). Не можна не сподіватися, що гіпотеза космічної цензури виконується у тому чи іншого формулюванні, інакше поблизу голих сингулярностей була б можливість потраплятимуть у минуле. Це було чудово для письменників-фантастів, але означала б, що не можна бути впевненим у своїй безпеки: хтось може стати минуле існує і позбавити життя когось із ваших батьків ще до його того, як вони встигли дати життя вам!

Горизонт подій, обмежує царину простору-часу, з яких неможливий вибратися назовні, подібний до не-кой напівпроникної мембрані, оточуючої чорну діру: объек-ты на кшталт необережного астронавта можуть впасти в чорну діру че-рез обрій подій, але ніякі об'єкти що неспроможні вибратися з її через обрій подій назад. (Згадайте, що гори-зонт подій — це, яким у просторі-часі поширюється світло, що він прагне вийти із чорного діри, а швидше світла неспроможна рухатися ніщо.) Про обрії подій можна сказати оскільки сказано у поета Данте про вході у Пекло: «Залиш надію кожен, сюди вхідний ». Все вся, провалене за го-ризонт подій, невдовзі потрапить у область безкінечною щільності, де час кончается.

Общая теорія відносності пророкує, що з дви-жении важких об'єктів повинні випромінюватися гравітаційні вол-ны, які представляють пульсації кривизни простору, що ширяться зі швидкістю світла. Випромінювані незалежно від русі гравітаційні хвилі будуть нести енергію системи. (Нагадує поведінка кинутого у воду поплавця, який спершу то йде під воду, то виринає на поверхню, але, оскільки хвилі несуть його енергію, наприкінці кінців застигає в нерухомому стаціонарному стані.) Наприклад, при обраще-нии Землі навколо Сонця виникають гравітаційні хвилі і Земля втрачає свою енергію. Втрата енергії впливатиме на орбіту Зем-ли, і Земля почне поступово наближатися до Сонцю. Зрештою вони увійдуть до контакт, і Земля, переставши рухатися отно-сительно Сонця, опиниться у стаціонарному стані. При враще-нии Землі навколо Сонця теряемая потужність дуже мала — при-мерно така, яку споживає невеличкий электрокипятиль-ник. Це означає, що земля впаде на Сонце приблизно тисячу мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років, а тому просто сьогодні тривожитися ні про що! Зміни орбіти Землі відбуваються надто повільно для спостереження, але останні кілька років у точності такий ж ефект зафіксований у системі PSR 1913+16. (PSR означає «пульсар «- особлива різновид нейтронної зірки, яка випромінює періодичні імпульси радіохвиль.) Це система двох нейтронних зірок, обертових одна навколо інший; втрати енергії на гравітаційне випромінювання призводять до їхньому зближенню по спирали.

Когда під час гравітаційного колапсу зірки утворюється чорна діра, всі рухи зірки повинні сильно прискоритися, і тому втрати енергії також мають сильно зрости. Следо-вательно, коллапсирующая зірка повинна невдовзі приєднатися до якомусь стаціонарному стані. Яким чи це буде кінцеве состоя-ние?

Можно припустити, що буде залежати від усіх складних властивостей вихідної зірки, т. е. тільки від її є і швидкості обертання, а й від різних плотностей різних частин зірки й від складного руху газів в ній. Але якби чорні діри були так само різноманітними, як і коллапсирующие об'єкти, з яких вони виникають, то робити які би там не було загальні передбачення про чорні діри була б дуже трудно.

Однако в 1967 р. канадський учений Вернер Израэль (він ро-дился у Берліні, виховувався бегемотів у Південній Африці, а докторську дисертацію захищав у Ірландії) справив революцію у науці про чорні діри. Израэль показав, що, відповідно до загальної теорії відносності, невращающиеся чорні діри повинен мати дуже прості властивості: повинно бути правильної сферичної фор-мы, розміри чорної діри повинні залежати тільки від її маси, а дві чорні діри з масами би мало бути ідентичні друг другу. Фактично виходило, що чорні діри можна описати приватним рішенням рівнянь Ейнштейна, відомим ще з 1917 р. і знайденим Карлом Шварцшильдом невдовзі після опублікування загальної теорії відносності. Спочатку багато, у цьому однині і сам Израэль, вважали, що, оскільки чорні діри мали бути зацікавленими совер-шенно круглими, можуть утворюватися тільки внаслідок колапсу цілком круглого об'єкта. Отже, будь-яка реальна зірка — а реальні зірки не бувають ідеально сферичної форми — може сколлапсировать, породжуючи лише голу сингулярность.

Правда, була можлива інша інтерпретація отриманого Израэлем результату, яку, в частковості «підтримували Роджер Пенроуз і Джон Уйлер. Швидкі руху, які під час колапсу зірки, означають, вказували ці вчені, що випромінювані зіркою гравітаційні хвилі ще сильніше скруглить її, і на той час, коли зірка опиниться у стаціонарному состоя-нии, її у точності сферичної форми. За такої взгля-де на речі будь-яка невращающаяся зірка, як вона була складна її форма й внутрішня соціальність структура, після гравітаційного колапсу повинна перетворитися на чорну діру правильної сферичної фор-мы, розміри якій будуть залежати тільки від її маси. У даль-нейшем такий висновок було підтверджено розрахунками, і незабаром стало общепринятым.

Результат Ізраеля стосувався тільки чорних дір, образовавших-ся з невращающихся об'єктів. У 1963 р. Рой Керр з Нової Зеландії знайшов сімейство рішень рівнянь загальної теорії отно-сительности, які описували обертові чорні діри. «Керровские «чорні діри обертаються із постійною швидкістю, які форма і величину залежать тільки від є і швидкості обертання. Якщо обертання відсутня, то чорна діра має ідеальну шаро-образную форму, а відповідальна їй рішення ідентично шварцшильдовскому рішенню. Якщо ж чорна діра обертається, що його діаметр збільшується в екватору (точно як і, як деформуються внаслідок обертання Земля і Сонце) і тим сильніше, що швидше обертання. Щоб можна було переселити результат Ізраеля і які працюють тіла, було зроблено припущення, що будь-який вра-щающееся тіло, що у результаті колапсу утворює чорну діру, має зрештою приєднатися до стаціонарному состоя-нии, описуваному рішенням Керра.

В 1970 р. мій аспірант і колега по Кембриджу Брендон Кар-тер зробив перший крок доведенню цього припущення. Картер показав, що й стаціонарна обертова чорна діра має віссю симетрії, як дзига, що його розміри і форма залежатимуть тільки від її є і швидкості обертання. Потім у 1971 р. я довів, будь-яка стаціонарна чорна діра завжди матиме таку вісь симетрії. Нарешті 1973 р. Девід Робінсон з Кингс-колледжа у Лондоні, спираючись на наші з Картером результати, показав, що вищенаведене припущення правильно, т. е. що стаціонарна чорна діра завжди буде рішенням Керра. Отже, пос-ле гравітаційного колапсу чорна діра має опинитися у стані, щоб воно могло обертатися, але з могла пульси-ровать. З іншого боку, розміри чорної діри залежатимуть тільки від її є і швидкості обертання і ні пов’язані зі свой-ствами того тіла, яке сколлапсировало у цю чорну діру. Такий висновок став відомим в формулюванні: «У чорної діри немає волосся ». Теорему про відсутності волосся у чорної діри має величезну практичного значення, оскільки вона накладає сильні ограни-чения на можливі типи чорних дір, а цим дає возмож-ность будувати детальні моделі об'єктів, які б со-держать чорні діри, і порівнювати їх передбачення з результата-ми спостережень. З іншого боку, з її слід, що з освіті чорної діри повинна губитися більшість наших інформації про сколлапсировавшем тілі, бо після колапсу усе, що зможемо виміряти, — це, то, можливо, лише маса тіла так його вра-щения.

Черные діри — одне із дуже нечисленних прикладів історія науки, коли теорія розвивалася переважають у всіх деталях як ма-тематическая модель, які мають ніяких експериментальних под-тверждений своєї справедливості. І це, звісно, було головним запереченням противників чорних дір: як і вірити в реаль-ность об'єктів, існування які слід лише з вычисле-ний, заснованих на виключно такої сумнівної теорії, як загальна теорія відносності. Однак у 1963 р. Маартен Шмідт, астроном з Паламарской обсерваторії у Каліфорнії, поміряв червоне усунення тьмяного, схожого на зірку об'єкта у бік джерела радіохвиль ЗС273 (джерело під номером 273 у третій Кембридж-ском каталозі радіоджерел). Виявлене Шмідтом червоне усунення виявилося занадто велике, що його можна було объ-яснить дією гравітаційного поля: якби він був грави-тационного походження, то пов’язані з ним об'єкт мав мати таку велику масу чуток і розташовуватися таким близьким до нас, що його змінило б орбіти всіх планет Сонячної систе-мы. Але, то, можливо, тоді червоне усунення виникло через расши-рения Всесвіту роздивилися й з цього витікає, що аналізований об'єкт перебуває, навпаки, дуже далека? Видимий такому великій відстані об'єкт має бути дуже яскравим, т. е. повинен випромінювати величезної енергії. Єдиний механізм, з допомогою якої міг би випромінюватися така велика кількість енергії, — це гравітаційний колапс, але з якоюсь однією зірки, а кол-лапс всієї центральній області Галактики. З тих пір було відкрито та інші аналогічні «квазизвездные об'єкти », чи квазари, які мають червоним зміщенням. Однак такі їхні велика віддаленість сильно утрудняє спостереження не дає змозі зробити остаточних висновків щодо чорних дыр.

В 1967 р. з’явився новий доказ на користь існування чер-ных дір. Кембриджський аспірант Джослин Белл виявив на небі об'єкти, випромінюючі регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Белл та її керівник Ентоні Хьюиш вирішили, що вони встановили контакти з позаземними цивілізаціями нашої Галактики. Пригадую, що, доповідаючи про своє відкритті на семінарі, чотири джерела вони справді назвали скорочено LGM 1−4, де LGM означає «зелені чоловічки «(Little Green Men). А потім автори, й інші дійшли менш романтичному заклю-чению, що виявлені об'єкти, які були пульсарами, є які працюють нейтронні зірки, ко-торые випромінюють імпульси радіохвиль через складного характеру взаємодії навчальних магнітного половіючі жита із оточуючим речовиною. Ця новина засмутила авторів бойовиків про космічних прибульцях, але ж надто надихнула наш нечисленний загін прибічників чер-ных дір, адже ми вперше одержали підтверджує те, що нейтронні зірки існують. Радіус нейтронної зірки становить близько п’ятнадцяти кілометрів, т. е. лише кількох раз боль-ші критичного радіуса, після досягнення якого зірка превра-щается в чорну діру. Якщо зірка може сколлапсировать до таких невеликих розмірів, то цілком можна припустити, що інші зірки в результаті колапсу стануть ще менша і обра-зуют чорні дыры.

Да, але, як можна розраховувати знайти чорну діру, коли з самому її визначенню взагалі не випромінює світло? Це саме, що ловити чорного кота у темній кімнаті. І все-таки один спосіб є. Ще Джон Мичелл у своїй піонерської роботі, написаної 1783 р., вказував, що чорні діри все-таки надають гравитацион-ное вплив на близькі до них об'єкти. Астрономи спостерігали багато систем, у яких дві зірки звертаються одна навколо дру-гой під впливом гравітаційного тяжіння. Спостерігаються і та-кие системи, у яких видимою лише одна зірка, обращающаяся навколо свого невидимого партнера. Зрозуміло, ми можемо відразу укласти, що партнер це і є чорна діра, що це може бути просто надто тьмяна зірка. Проте з таких систем, наприклад Лебєдь Х-1, є що й потужними джерелами рентгенівського випромінювання. Це явище найкраще пояснюється припущенням, що із поверхні видимої зірки «здувається «речовина, яке вихоплює другу, невидиму зірку, обертаючись спіраллю (як яка з ванни вода), і дуже розігріваючи, випускає рентгенівське випромінювання. Для існування такої механізму невидимий об'єкт має бути дуже малим — білим карликом, нейтронної зіркою чи чорної дірою. Результати спостереження орбіти видимої зірки дозволяють обчислити, яку найменшу масу може мати невидимий объ-ект. Що стосується Лебєдя Х-1 ця маса становить приблизно шість сонячних мас, т. е., відповідно до Чандрасекару, завеликою, щоб у якого нею невидимий об'єкт виявився білим карли-ком. Оскільки ця маса великою і для нейтронної зірки, об'єкт, очевидно, може бути чорної дырой.

Существуют і інші моделі, в яких розтлумачувалося результати наблю-дений Лебєдя Х-1 без залучення чорних дір, але вони досить штучні. Чорна діра представляється єдиним совер-шенно природним поясненням спостережень. Попри це, Гокінг уклав парі з Кипом Уторованому з Каліфорнійського технологи-ческого інституту, що у насправді в Лебедя Х-1 немає чорної діри! Він це парі - якась страховка. Він дуже багато займався чорних дірок, і весь його робота піде нанівець, якщо виявиться, що чорні діри не існують. Але цього разі утеше-нием йому буде вигране парі. Якщо ж чорні діри все-таки існують, то Стосів буде цілий рік отримувати журнал «Penthouse ». Укладаючи парі в 1975 р., вони на 80% уве-рены у цьому, що Лебєдь Х-1 є чорної дірою. Тепер їх впевненість зросла до 95%, але парі залишається в силе.

Исследователи маємо даними про намір ще кількох чорні діри в системах типу Лебєдя Х-1 в нашої Галактиці і двох сусідніх галак-тиках, які називаються Великим і Малим Магеллановыми Хмарами. Але чорних дір майже напевно вулицю значно більше: на про-тяжении довгої історії Всесвіту багато зірки мають були витратити до кінця свою ядерного палива і сколлапсировать. Кількість чорних дір справді може навіть перевищувати число видимих зірок, що тільки з нашого Галактиці становить близько сотні ты-сяч мільйонів. Додаткове гравітаційне тяжіння настільки великої кількості чорних дір міг стати причиною, чому наша Галактика обертається саме із швидкістю, а чи не із якоюсь іншою: маси видимих зірок до пояснень цієї швидкості недостатньо. Є й деякі дані за те, що у центрі нашої Галактики є чорна діра набагато боль-шего розміру з безліччю приблизно 100 тис мас Сонця. Звез-ды, вони виявилися в Галактиці надто близько до цієї чорну дірку, розлітаються на частини через різницю гравітаційних сил на ближ-ней і дальньої сторони зірки. Залишки разлетающихся зірок та газу, викинутий іншими зірками, падатимуть по до чорну дірку. Як і разі Лебєдя Х-1, газ буде закручуватися спіраллю всередину і розігріватися, щоправда негаразд сильно. Розігрів буде недостатнім для випущення рентгенівського випромінювання, але можна пояснити той малюсінький джерело радіохвиль і инфра-красных променів, що спостерігається в центрі Галактики.

Не виключено, що у центрах квазарів є таку ж чорні діри, але ще більших розмірів, з масами близько сотні миллио-нов мас Сонця. Тільки падінням речовини у таку сверхмассив-ную чорну діру можна було б засвідчити, звідки ж береться энер-гия наймогутнішого випромінювання, яке виходить із чорної діри. Речовина падає, обертаючись, спіраллю всередину чорної діри і за-ставляет її обертатися у тому напрямі, у результаті виникає магнітне полі, наче магнітне полі Землі. Падаюче всередину речовина породжуватиме близько чорної діри частки дуже високою енергії. Магнітне полі буде такою сильним, що зможе сфокусувати ці частки в струменя, які вилітати назовні вздовж осі обертання чорної діри, т. е. у бік її північного і південного полюсів. У деяких галак-тик і квазарів такі струменя справді наблюдаются.

Можно розглянути, і можливість існування чорних дір з масами, меншими маси Сонця. Такі чорні діри могли б утворитися внаслідок гравітаційного колапсу, пото-му що й маси лежать нижче краю Чандрасекара: зірки з неболь-шой масою можуть протистояти гравітації у тому разі, коли всі їх ядерного палива вже витрачено. Чорні діри ма-лой маси можуть утворитися лише за умов, що речовина стисло до величезних плотностей надзвичайно високими зовнішніми давлениями. Такі умови можуть виконуватися на вельми великий водневої бомбі: фізик Джон Уилер якось обчислив, що й взяти всю важку воду із усіх океанів світу, можна зробити водневу бомбу, у якій речовина так стиснеться, що її центрі виникне чорна діра. (Зрозуміло, навколо не оста-нется нікого, хто міг це побачити!) Більше реальна возмож-ность — це особливе утворення невідь що масивних чорних дір з неболь-шой масою при високих значеннях температури і тиску дуже ранньої стадії розвитку Всесвіту. Чорні діри могли об-разоваться лише тому випадку, якщо рання Всесвіт була ідеально гладкою і однорідної, оскільки лише якусь невелику область з щільністю, перевищує середню плот-ность, ж личить отак стиснути, щоб він перетворилася на чорну діру. Але знаємо, що з Всесвіту повинні бути неоднорідності, інакше все речовина не збилося в грудки, обра-зуя зірки й галактики, а рівномірно розподілилося б у всій Вселенной.

Могли ці неоднорідності, існуванням яких объ-ясняется виникнення зірок і галактик, призвести до утворення «первинних «чорних дір, залежить від того, якою була рання Все-ленная. Отже, визначивши, скільки «первинних «чорних дір сьогодні існує, ми змогли б багато що дізнатися про ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Первинні чорні діри, мас-са яких перевищує тисячу мільйонів тонн (маса великий го-ры), можна було б зареєструвати лише з впливу їх гра-витационного поля на видиму матерію або ж на процес расши-рения Всесвіту. Однак у наступному розділі ми дізнаємося, що у насправді чорні діри зовсім не від чорні: вони світяться, як розпечене тіло, і що менше чорна діра, тим більше вона світиться. Хоч як парадоксально, але може бути, що бункери малі чорні діри простіше реєструвати, ніж большие!

2. Чи чорні чорні дыры

До 1970 р. Стівен Гокінг у своїх дослідженнях із загальної теорії относи-тельности зосереджувався здебільшого питанні, существо-вала чи ні сингулярна точка великого вибуху. Тоді не було точного визначення, які точки простору-часу лежать всередині чорної діри, а які - зовні. Але хто вже обговорювали определе-ние чорної діри як безлічі подій, з яких неможливо піти на велику відстань. Цю ухвалу стали зараз обще-принятым. Воно означає, що кордон чорної діри, обрій со-бытий, утворюють в просторі-часі шляху променів світла, які відхиляються до сингулярності, але й вийти межі чорної діри і приречені вічно балансувати на краю. Це коли б, втікаючи поліцейської, триматися на крок — попереду, не в силах зовсім відірватися від него.

Пути променів світла на обрії подій коли не зможуть зблизитися. Якби це сталося, то проміння на результаті розширення зрештою перетнулися. Як якби наштовхнутися на іншого, теж убегающего поліцейської, але у протилежному напрямі, — тоді обидві будуть піймані найкрупніші отамани. (Вони ж, у разі, впадуть в чорну діру.) Але якби ці промені світла поглинула чорна діра, то не міг би лежати на кордоні чорної діри. Сле-довательно, на обрії подій промені світла повинні завжди дви-гаться паралельно одна одній, т. е. віддалік друг від друга. Інакше кажучи, обрій подій (кордон чорної діри) подібний до краю тіні - тіні прийдешньої загибелі. Розглянувши тінь, созда-ваемую якимось дуже віддаленим джерелом, наприклад Солн-цем, ви побачите, що у краю тіні промені світла не наближаються друг до другу.

Если промені світла, що утворюють обрій подій, т. е. кордон чорної діри, будь-коли можуть зблизитися, то площа горизонту подій може або залишатися тієї ж самої, або збільшуватися згодом, але ніколи зменшуватися, оскільки її умень-шение означала б, що у крайнього заходу деякі промені світла за українсько-словацьким кордоном чорної діри повинні зближуватися. Насправді ця площа завжди буде збільшуватися під час падіння в чорну діру вещест-ва чи випромінювання. Якщо ж дві чорні діри зіштовхнуться і зіллються до однієї, то площа горизонту подій або буде боль-ші суми площ горизонтів подій вихідних чорних дір, ли-бо дорівнюватиме про цю суму. Те, що загальна площа горизонту подій не зменшується, накладає важливе обмеження на возмож-ное поведінка чорних дір, насправді це властивість площ вже було відомо. Але це випливало з дещо іншого визначення чорної діри. Обидва визначення дають однакові кордону чорної діри і, отже, однакові площі за умови, що чорна діра перебуває у стані, не змінюваному временем.

То, що загальна площа чорної діри не зменшується, дуже нагадує поведінка однієї фізичної величини — ентропії, що є мірою безладдя у системі. З власного повсякденному досвіду знаємо, що безладдя завжди збільшується, коли пустити його за самоплив. (Спробуйте лише припинити вдома всякий дрібний Ремонт, і це переконаєтеся у тому навіч!) Безладдя можна перетворити на порядок (наприклад, пофарбувавши будинок), але ці зажадає витрати зусиль та і, отже, зменшить кількість имею-щейся «упорядкованим «энергии.

Точная формулювання наведених міркувань називається другим законом термодинаміки. Цього закону говорить, що ентропія ізольованій системи завжди зростає й що при об'єднанні двох систем до однієї ентропія повної системи більше, аніж энтропий окремих, вихідних систем. Як приклад рас-дивимося систему молекул газу коробці. Можна уявити, що молекули — це переважно маленькі більярдні кулі, котрі всі вре-мя зіштовхуються друг з одним і відскакують від стінок коробки. Що температура газу, то швидше рухаються молекули і, отже, то частішими й сильніше вони вдаряються про стінки коробки тим більше утворювана ними зсередини тиск на стінки коробки. Нехай спочатку все молекули перебувають поза перегородкою який у лівій час-ти коробки. Якщо вийняти перегородку, то молекули вийдуть зі свого половини і поширяться по обом частинам коробки. Невдовзі все молекули можуть випадково виявитися справа чи зліва, але, найімовірніше, на обох половинах коробки число молекул виявиться приблизно однаковим. Такий стан менш упорядковано, т. е. є станом більшого безладдя, ніж вихідне стан, де всі молекули перебували лише у половині, і тому кажуть, що ентропія газу зріс. Аналогич-но уявімо собі, що спочатку є дві коробки, на одній із яких молекули кисню, а інший — молекули азоту. Якщо з'єднати коробки і вийняти загальну стінку, то кисень і водень змішаються друг з одним. Найбільш мабуть, що за якийсь час у обох коробках перебуватиме досить однорідна суміш молекул кисню і водню. Це будуть меншими від упорядочен-ное стан, що має, отже, більшої ентропія, ніж початкова, відповідальна двом окремим коробкам.

Второй закон термодинаміки триває кілька особливе поло-жение серед інших законів науки, таких, наприклад, як ньютонов-ский закон тяжіння, оскільки він виконується який завжди, а в переважній більшості випадків. Можливість те, що все молекули газу першої коробці кілька днів будуть у однієї половині цієї коробки, дорівнює одиниці, делен-ной набагато мільйонів мільйонів, але таку страхову подію все-таки може відбутися. Якщо ж поблизу є чорна діра, то порушити вто-рой закон, очевидно, ще простіше: досить кидають у чорну діру трохи речовини, який володіє великий ентропія, наприклад коробку з газом. Тоді повна ентропія речовини зовні чорної діри зменшиться. Зрозуміло, можна заперечити, що — повна энтро-пия, включаючи ентропію всередині чорної діри, не зменшилася, але якщо ми можемо зазирнути у чорну діру, ми і дізнатися, як і ентропія що міститься у ній речовини. Отже, було б добре, якби чорна діра мала який-небудь такий харак-теристикой, через яку зовнішні спостерігачі міг би визначити її ентропію і який зростала б щоразу під час падіння в чорну діру речовини, який володіє ентропія. Коли бы-ло відкрито, що з падінні в чорну діру речовини площа горизонту подій збільшується, Джекоб Бикенстин, аспірант з Прінстона, запропонував вважати мірою ентропії чорної діри пло-щадь горизонту подій. При падінні в чорну діру речовини, який володіє ентропія, площа горизонту подій чорної діри зростає, і тому сума ентропії речовини, який би сна-ружи чорних дір, і майданів горизонтів подій будь-коли умень-шается.

Казалось б, за такого підходу здебільшого буде відвернуть порушення другого закону термодинаміки. Проте є одне серйозне заперечення. Якщо чорна діра має энтро-пией, те в неї повинна бути температура. Але тіло, яка має є певна температура, має з якоюсь інтенсивністю испус-кать випромінювання. Усі ми знаємо, що й сунути до вогню кочергу, вона розжариться до червоного і світитиметься, але тіла випромінюють і за бо-лее низьких температурах, лише ми звичайно помічаємо через слабкість випромінювання. Це випромінювання потрібно, что-бы не порушувався другий закон термодинаміки. Отже, чорні діри Повинні випускати випромінювання. Але з самому їх поняттю чорні Дыры-это такі об'єкти, які можуть випускати випромінювання. Тому створювалося враження, що загальна площа горизонту подій чорної діри не можна розглядати, як її ентропію. 1972;го р. Стівен Гокінг, Брендон Картер та його американський колега Джим Бардин написали спільну роботу, де йшлося, що попри велике подібність між ентропія і площею горизонту подій, вищезгадана труднощі є і представляється непереборної. Це стаття писалася почасти під впливом роздратування, викликаного роботою Бикенстина, який, як вважав Гокінг, зловжив відкритим мною зростанням площі горизонту подій. Але наприкінці виявилося, що Бикенстин у принципі мав рацію, хоча, напевно, навіть пред-ставлял собі, яким образом.

Будучи у Москві у вересні 1973 р., Гокінг розмовляв про чорних ды-рах з цими двома провідними радянськими вченими — Я. Б. Зельдовичем й О. А. Старобинским. Вони переконали їх у тому, що внаслідок кванто-вомеханического принципу невизначеності які працюють чорні діри повинні народжувати і випромінювати частки. Він погодитися з физи-ческими доказами, але не сподобався їх математичний спо-соб розрахунку випромінювання. Тому Гокінг зайнявся розробкою кращого математичного підходу і пояснив про неї на неофіційному семінарі у Оксфорді наприкінці 1973 р. Тоді і ще не провів розрахунки самої інтенсивності випромінювання. Він очікував здобути лише те випромінювання, яке Зельдович і Старобинский передбачили, рас-сматривая обертові чорні діри. Але, виконавши обчислення, він, до свого подиву і досаді, виявив, що й невращаю-щиеся чорні діри, очевидно, мають ознайомитися з постійної интен-сивностью народжувати і випромінювати частки. Спочатку вирішив, що, мабуть, одна з використаних їм наближень неправиль-но. Він боявся, що якщо про це дізнається Бикенстин, він цим восполь-зуется задля її подальшого обгрунтування своїх і думок про энтро-пии чорних дір, що йому як і не подобалися. Та що більше він розмірковував, тим більше коштів переконувався у цьому, що його наближення насправді правильні. Але його остаточно убе-дило в існуванні випромінювання те, що спектр испускаемых частинок мав відбутися о точності настільки ж, як спектр випромінювання горя-чего тіла, І що чорна діра повинна випромінювати частки з точністю з тим інтенсивністю, коли він не порушувався б другий закон термодинаміки. З того часу багато найрізноманітнішими способами повторили його розрахунки і також підтвердили, що чорна діра долж-на випускати частинки й випромінювання, коли б у неї гарячим тілом, температура якої тільки від маси чорної ды-ры — що більше маса, тим нижче температура.

Как ж чорна діра може випускати частки, якщо ми знаємо, що нічого теж не виходить з її за обрій подій? Річ у тім, гово-рит нам квантова механіка, що частки виходять ні з самої чер-ной діри, та якщо з «порожнього «простору, який би перед гори-зонтом подій! Ось як це можна зрозуміти: те, що ми представ-ляем собі як «порожній «простір, може бути зовсім пус-тым, оскільки це означала б, що це поля, такі, як гравитацион-ное і електромагнітне, у ньому точно рівні нулю. Але величина поля і його зміни згодом аналогічні положе-нию і швидкості частки: відповідно до принципу невизначеності, ніж точніше відома одне з цих величин, проте точно извест-на друга. Отже, в порожньому просторі полі неспроможна мати постійного нульового значення, бо тоді вона мала ще й точне значення (нуль), і точну швидкість зміни (теж нуль). Повинна існувати деяка мінімальна неопределен-ность в величині поля — квантові флуктуації. Ці флуктуації можна уявити, як пари частинок світла чи гравітації, які у якусь мить часу разом виникають, розходяться, і потім знову зближуються і анігілюють друг з одним. Такі частки є віртуальними, як частки, які переносять грави-тационную силу Сонця: на відміну реальних віртуальні части-цы не можна спостерігати з допомогою детектора реальних частинок. Але непрямі ефекти, вироблені віртуальними частинками, на-приклад невеликі зміни енергії електронних орбіт в атомах, можна виміряти, й одержують результати дивовижно точно узгоджуються з тео-ретическими віщуваннями. Принцип невизначеності предска-зывает також живучість аналогічних віртуальних пар частинок матерії, як-от електрони чи кварки. Але цього разі один член пари буде часткою, а другий — античастицей (античастинки світла, і гравітації - це саме саме, як і частицы).

Поскольку енергію не можна створити з нічого, із членів па-ры частка — античастка матиме позитивну енергію, а другий — негативну. Той, чия енергія негативною, може лише короткоживущей віртуальної часткою, оскільки в нормальних ситуаціях енергія реальних частинок завжди положитель-на. Отже, він має знайти свого партнера і з нею аннигили-ровать. Але, перебуваючи поруч із масивним тілом, реальна частка має меншою енергією, ніж далеко від нього, оскільки у тому, что-бы подолати гравітаційне тяжіння тіла, і втриматися вда-ли від цього, потрібна енергія. Зазвичай енергія частки все-таки по-ложительна, але гравітаційного поля всередині чорної діри так вели-ко, що й реальна частка може мати там негативну енергію. Тому, якщо є чорна діра, віртуальна частка із від'ємною енергією може впасти у цю чорну діру і прев-ратиться на реальну частку чи античастицу. І тут вже зобов’язана аннигилировать зі своїми партнером, а покинений партнер може або впасти ж чорну діру, або, якщо його енергія позитивна, вийти з області поблизу чорної діри як реальна частка чи як античастка. Віддаленому наб-людателю видасться, що це партнер испущен із чорного діри. Чим менший чорна діра, тим менше відстань, яке доведеться пройти частинки з негативною енергією до перетворення на реаль-ную частку, і, отже, тим більше швидкість випромінювання та що здається температура чорної дыры.

Положительная енергія испускаемого випромінювання повинна урав-новешиваться потоком часток отримують за негативною енергією, направлен-ным в чорну діру. Відповідно до рівнянню Ейнштейна Є == тс2 (де Є - енергія, m — маса, з — швидкість світла), енергія прямо пропорційна масі, тож потік негативною енергії, входить у чорну діру, зменшує її масу. Коли чорна діра втрачає масу, площа її горизонту подій зменшується, але ці зменшення ентропії чорної діри з лишком відшкодовується энтро-пией испущенного випромінювання, отже другий закон термодинами-ки будь-коли нарушается.

Кроме того, ніж менше маса чорної діри, тим більша її тем-пература. Тому, коли чорна діра втрачає масу, її температу-ра і швидкість випромінювання зростають і, отже, втрата маси йде рішуче. Поки що ні ясно, що відбувається, коли маса чорної дірок" у результаті розширення зрештою стає надзвичайно малої, але це найбільш логічним представляється, що чорна діра повністю зникає у гігантській останньої спалах випромінювання, еквівалентній вибуху мільйонів водневих бомб.

Температура чорної діри з безліччю, рівної кільком мас-сам Сонця, мусить бути дорівнює всього однієї десятимільйонної градуси вище абсолютного нуля. Це значно менше, ніж темпера-тура мікрохвильового випромінювання, що заповнює Всесвіт (близько 2,7° вище абсолютного нуля). Отже, чорні діри повинні випромінювати навіть менше, ніж поглинати. Якщо Всесвіту судилося вічно розширюватися, то температура мікрохвильового випромінювання зрештою впаде нижче від температури такий чорної діри і чорна діра почне втрачати масу. Але тоді її температура буде настоль-ко низькою, що вона цілком випарується лише за мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з шестью-десятью шістьма нулями) років. Це значно перевищує вік Всесвіту, що дорівнює всього десяти чи двадцяти тисячам мил-лионов років (одиниця чи двійка з десятьма нулями). Але, як гово-рилось раніше, могли існувати первинні чорні діри з гораз-до меншою масою, які утворилися внаслідок колапсу нерегулярностей на дуже ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Такі чорні діри повинен мати набагато вищу температуру і випускати випромінювання з більшою інтенсивністю. Час життя первинної чорної діри з початковій масою тисяча мил-лионов тонн має бути приблизно дорівнює віку Всесвіту. Пер-вичные чорні діри з меншими початковими масами мала б вже цілком випаруватися, інші ж, які мають початкові маси трохи більше, повинні продовжувати випускати рентгенов-ские і гамма-випромінювання. Ці види випромінювання аналогічні світловим хвилях, але мають значно меншу довжину хвилі. До таких дірам чи підходить назва чорні, насправді вони розжарені до краю і випромінюють енергію з потужністю близько 10 тисяч мега-ватт.

Одна така чорна діра міг би забезпечити роботу десяти великих електростанцій, якби лише ми вміли використовувати її енергію. І це досить складно: наша чорна діра було б масу, рівну масі гори, стиснуту приблизно до мільйон мільйонної (одиниця, поділена на мільйон мільйонів) сантимет-ра, т. е. до розмірів атомного ядра! Якби одне з таких чорних дір виявилася на Землі, ми неможливо міг би пре-дотвратить її падіння крізь підлогу до центра Землі. Вона коливалася б туди-сюди вздовж земної осі до того часу, поки зрештою не зупинилася в центрі. Отже, єдине місці з цією чорної діри, де випромінену нею енергію можна було б послуговуватись, — це орбіта навколо Землі, а єдиний спосіб залучити чорну діру з цього орбіту — буксирувати перед ній величезну масу, як морквину перед носом осла. Таку пропозицію виглядає дуже реальним, по крайнього заходу в найближчому будущем.

Но навіть коли ми не зможемо використовувати випромінювання цих пер-вичных чорних дір, чи можливість їх побачити? Можна було шукати б гамма-випромінювання, яке чорні діри випускають протягом більшу частину свого життя. Попри те що що чер-ные дірок" у основному знаходяться далеко і тому дають дуже слабке випромінювання, сумарне випромінювання всіх чорних дір міг би подда-ваться реєстрації. Ми бачимо «фон «такого гамма-випромінення: інтенсивності наблюдае-мых гама-променів різняться в різних частотах (частота — їх кількість хвиль в секунду). Але джерелом цього фону були, і може бути, і було не первинні чорні діри, а якісь інших процесів. Можна дійти невтішного висновку, що вимір фону гамма-випромінення це не дає ніякої поло-жительной інформації про існуванні первинних чорних дір, але зазначає, що у Всесвіті не можливо, у середньому більше 300 чорних дір у кожному кубічному світловому року. Цей межа означає, що первинні діри міг би складати максимум одну мільйонну всього речовини у Вселенной.

При такому убогому кількості чорних дір міг би видатися неправдоподібним, щоб котрась із них виявилося дуже від б нас і її було б спостерігати як окремий джерело гамма-випромінення. Але бо під дією гравітації первинні чорні діри повинні притягатися до будь-якого речовини, їх має бути вулицю значно більше усередині та навколо галактик. Следова-тельно, хоча розрахована фон гамма-випромінення свідчить, що у одному кубічному світловому року неспроможна бути, у середньому більше 300 первинних чорних дір, не дає немає інформації про тому, наскільки часто первинні чорні діри зустрічаються з нашого соб-ственной Галактиці. Якби було, скажімо, один мільйон разів більше, то найближча до нас чорна діра могла виявитися з відривом тисяча мільйонів кілометрів, т. е. приблизно за рівні Плутона, самої далекої з відомих планет. Такою відстані дуже важко зареєструвати постійне випромінювання чер-ной діри, навіть якщо його потужність дорівнює десяти тисячам мегават. Для спостереження первинної чорної діри потрібно зарегистриро-вать кілька гамма-квантов, що зі одному й тому ж сторо-ны, протягом якогось розумного інтервалу часу, скажімо протягом тижня. Інакше вони можуть виявитися просто частиною фону. Але за законом Планка кожен гамма-квант має досить енергії, оскільки гамма-випромінювання має високий частоту, отже, для випромінювання навіть десяти тисяч мегават знадобиться небагато квантів. Щодо спостереження цих кількох квантів, що зі відстані, рівного відстані до Плутона, потрібен було б детек-тор гамма-випромінення набагато більшого розміру, ніж кожній із нинішніх. З іншого боку, цей детектор потрібно було б розмістити у космосі, оскільки гамма-випромінювання не проходить через атмо-сферу.

Разумеется, якщо б чорна діра, які перебувають з відривом Плутона, закінчивши свій життєвий цикл, вибухнула, останній сплеск випромінювання можна було б із легкістю зареєструвати. Але якщо чорна діра продовжує випромінювати впродовж останніх десяти чи двадцяти тисяч мільйонів років, то шанси те що, що її загибель доведеться на кілька років, а чи не тих кілька років, що вони пройшли або ще настануть, справді дуже малі! Отже, щоб мати реальну уявлення про те вибух до закінчення фінансування експерименту, ви повинні при-думать, як реєструвати вибухи, що відбуваються з відривом порядку одного світлового року. Вам усе одно буде потрібен великий детектор гамма-випромінення, щоб зареєструвати кілька гам-ма-квантов з тих, що утворюються вибухом. Але цього разі зайвими перевіряти, що все гамма-кванти приходять із одному й тому ж боку: достатньо знати, що усі вони зареєстровані у протягом дуже короткого проміжку часу щоб бути впевненим у цьому, що й джерелом є сама й той самий вспышка.

Один з детекторів гамма-випромінення, з допомогою якого мож-но було б впізнавати первинні чорні діри, — це вся атмосфе-ра Землі. (Принаймні, навряд чи зможемо побудувати детек-тор більшого розміру!) Коли гамма-квант, у якого високої енергією, зіштовхується в земної атмосфері з атомами, народжуються пари з електронів і позитронів (антиэлектронов), які у свою чергу зіштовхуються з атомами й утворюють нові электронно-позитронные пари. Виникає так званий електронний злива. Пов’язане з нею випромінювання є одне із видів свето-вого і називається черенковским. Тому спалахи гамма-излуче-ния можна реєструвати, стежачи за світловими спалахами в ноч-ном небі. Існують, звісно, та інші явища (такі, як мол-ния і відбиток світла від крутящихся супутників і обертаються по орбітам відкинуті щаблів ракет-носіїв), теж супроводжуються спалахами на небі. Спалахи, зумовлені гам-ма-излучением, можна від цих явищ, проводячи наблю-дения одночасно з цих двох чи більшої кількості пунктів, сильно віддалених друг від друга. Такі пошуки зробили в Аризоні двоє учених із Дубліна, Ніл Портер і Тревор Уикс. З допомогою теле-скопов вони виявили кілька спалахів, але й жодну не можна з визначеністю приписати сплескам гамма-излу-чения первинних чорних дыр.

Даже якщо пошук первинних чорних дір дасть негативні результати, і може їх дати, ми всі одно одержимо важливу інформацію про дуже ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Якщо рання Всесвіт була хаотичної, чи нерегулярною, або якщо тиск матерії майже немає, можна було б очікувати освіти значно більшої кількості чорних дір, чому він межа, який «Нам дали спостереження фону гамма-випромінення. Пояснити, чому чорні діри не перебувають у такій кількості, у якому їх можна було б спостерігати, можна лише тому випадку, якщо рання Всесвіт була дуже гладкою і однорідної, з великим тиском вещества.

Вывод у тому, що чорні діри можуть випускати випромінювання, був охарактеризований першим віщуванням, яке істотно основыва-лось обох великих теоріях ХХ століття — загальної теорії отно-сительности і квантової механіці. Спочатку цей висновок зустрів сильну протидію, оскільки йшов урозріз із поширеним поданням: «Як чорна діра може що не пішли излу-чать? «Коли Гокінг вперше оголосив про своє результатах на конферен-ции в Резерфордовской лабораторії під Оксфордом, все ставилися недовірливо. Наприкінці доповіді голова секції Джон Тейлор з Кингс-колледжа у Лондоні заявив, що це че-пуха. Навіть написав статтю, щоб довести, що Гокінг неправий. Але наприкінці кінців більшість, зокрема і Джон Тейлор, дійшли висновку, що чорні діри повинні випромінювати як гаряче тіло, за умови що вірні й інші уявлення загальної теорії относи-тельности і квантової механіки. Отже, хоча й уда-лось відшукати первинну чорну діру, але якби якщо це вдалося, то досить загальному переконання, чорна діра мусила випускати потужне гамаі рентгенівське излучение.

Вывод про існуванні випромінювання, испускаемого чорними дыра-ми, очевидно, означає, що гравітаційний колапс непогані остаточний і необоротний, як думали раніше. Якщо астронавт впаде в чорну діру, що його маса збільшиться, але наприкінці кінців кількість енергії, еквівалентну цієї збільшенню маси, повернеться у Всесвіт у вигляді випромінювання. Отже, у сенсі астронавт буде «регенерирован ». Це, звісно, не найкращий вид безсмертя: власне уявлення про час у астронавта майже напевно пропаде, що він розлетиться на клаптики всередині чорної діри! Навіть частки, випущені чорної дірою для ком-пенсации маси астронавта, будуть не з що їх перебував: єдине властивість астронавта, яке, — це її маса чи энергия.

Приближения, якими Гокінг мав у розрахунках випромінювання чорних дір, повинні добре виконуватися, коли маса чорної діри перевищує частки грама, але де вони неприйнятні наприкінці життя чорної діри, коли її маса стає дуже малій. Очевидно, наи-более ймовірне закінчення — це зникнення чорної діри, по крайньої мері з нашого області Всесвіту. Зникнувши, вона віднесе з собою — і астронавта, і будь-яку сингулярність, яка б у ній виявитися. Це були перші вказівку до можливості устране-ния квантової механікою сингулярностей, предсказываемых загальної теорією відносності. Проте ті методи, які й Гокінг, та інші вчені користувалися 1974 р., було неможливо відповісти такі запитання, як, наприклад, чи з’являться сингулярності в квантової гравітації. Тому починаючи з 1975 р. Гокінг зайнявся розробкою дійовішого підходи до квантової гравітації, заснованого на фейнмановском підсумовуванні по історіям (траєкторіям). Відповіді, отримані за такого підходу, стосовно питань про происхожде-нии і долю Всесвіт і те, що у ній міститься, наприклад астронавтів, будуть викладені у двох наступних розділах. Ми уви-дим, хоча принцип невизначеності накладає обмеження на точність всіх наших пророцтв, він зате усуває фун-даментальную непередбачуваність, виникає в сингулярності пространства-времени.

3. Нові відкриття щодо чорних дыр

По недавньому заяві астрономів з університету Огайо, незвичне подвійне ядро в галактиці Андромеди пояснюється скупченням зірок, обертових по эллиптическим орбітам навколо якогось масивного об'єкта, швидше за все, чорної діри. Такі висновки було зроблено з урахуванням даних, отриманих з допомогою космічного телескопа Hubble. Подвійне ядро Андромеди було виявлено у 70-х, але у середині 1990;х було висунуто теорія чорних дір.

Идея у тому, що в ядрах галактик існують чорні діри — не нова. Є усі підстави думати, що Чумацький Шлях — галактика до якої підключено Земля — має у своєму ядрі велику чорну діру, маса якої у 3 млн разів більше маси Сонця. Проте досліджувати ядро галактики Андромеда, що є з відривом 2 млн світлових років нас, легше, ніж ядро нашої галактики, куди світло йде лише 30 тис. років — за деревами немає лісу.

Ученые моделюють зіткнення чорних дыр

Применение чисельного моделювання на суперкомп’ютерах для з’ясування природи й поведінки чорних дір, дослідження гравітаційних хвиль.

Впервые вчені з інституту гравітаційної фізики (Max-Planck-Institut fur Gravitationsphysik), також відомий як «інститут Альберта Ейнштейна «і що за Гольме, передмісті Потсдама (Німеччина), промоделировали злиття двох чорних дір. Для запланованого виявлення гравітаційних хвиль, испускаемых двома сливающими чорних дірок, необхідно провести повне тривимірне моделювання на суперкомп’ютерах.

Плотность чорних дір такою є, що вони не відбивають і випромінюють світла — саме тому так важко побачити. Проте кілька років вчені сподіваються на суттєвий зрушення у цій галузі. Гравітаційні хвилі, якими буквально заповнене космічний простір, початку наступного століття може бути виявлено з допомогою нових средств.

Ученые на чолі з професором Эдом Зейделем (Dr. Ed Seidel) готують для досліджень чисельна моделювання, що стане для спостерігачів надійним способом виявлення хвиль, вироблених чорних дірок. «Зіткнення чорних дір — одна з головних джерел виникнення гравітаційних хвиль «- сказав професор Зейдель, провівши останні роки успішні дослідження, у моделюванні гравітаційних хвиль, з’являються при руйнуванні чорних дір при прямих зіткненнях.

Вместе про те, взаємодія двох обертових спіраллю чорних дір та його злиття більш поширені, ніж пряме зіткнення, і мають великої ваги в астрономії. Такі касательные зіткнення були вперше прораховані Берндом Бругманом, працюють у інституті Альберта Ейнштейна. Однак те час через нестачу обчислювальних потужностей, не зміг розрахувати такі прнципиально важливі деталі, як точний слід испускаемых гравітаційних хвиль, у якому важливу інформацію щодо поведінки чорних дір у зіткненні. Бругман опублікував останні результати у журналі «International Journal of Modern Physics » .

В перших обчисленнях, Бругман використовував встановлений інституті сервер Origin 2000. Він містить 32 окремих процесора, працюючих паралельно із сумарною пікової продуктивністю, рівної 3 мільярдам операцій на секунду. На червні нинішнього року міжнародна група, що перебуває їх Бругмана, Зейделя та інших вчених вже працювала зі набагато потужнішим 256-процессорным суперкомп’ютером Origin 2000 у Національному центрі суперкомп’ютерних додатків (NCSA). Група включала також учених із Університету г. Сент-Луис (США) і з дослідницького центру Konrad-Zuse-Zentrum у Берліні. Цей суперкомп’ютер забезпечив перше детальне моделювання дотичних сутичок чорних дір з нерівними масами, і навіть їхнього обертання, які Бругман вже досліджував раніше. Вернер Бенгер (Werner Benger) з Konrad-Zuse-Zentrum навіть зумів відтворити вражаючу картину процесу зіткнення. Було продемонстровано, як зливалися «чорні монстри «з масами від однієї за кілька мільйонів сонячних мас, створюючи спалахи гравітаційних хвиль, які можна буде потрапити зафіксувати спеціальними средствами.

Одним з найважливіших результатів цієї дослідницької стало виявлення величезної енергії, испускаемой у зіткненні чорних дір у вигляді гравітаційних хвиль. Якщо два об'єкта, з масами, еквівалентними 10 і 15 сонячних мас підходять до одна одній ближче, ніж 30 миль і стикаються, то величина гравітаційної енергії відповідає 1% від своїх маси. «Це тисячу разів більше, ніж уся енергія виділена нашим Сонцем протягом останніх п’яти мільярдів років. «- зауважив Бругман. Оскільки більшість великих сутичок у Всесвіті відбувається далеке від землі, то сигнали в останній момент досягнення ними землі ставали дуже слабкими.

По всьому світу почалося спорудження декількох високоточних детекторів. Одне з них, сконструйований Інститутом Макса Планка у межах Германо-Британского проекту «Geo 600 «є лазерний интерферометр у 0,7 милі. Вчені сподіваються виміряти параметри коротких гравітаційних пертурбацій, що відбуваються при зіткненнях чорних дір, але вони очікують лише одна таке зіткнення рік, причому з відривом близько 600 мільйонів світлових років. Комп’ютерні моделі необхідні, щоб забезпечити спостерігачів надійної інформацією виявлення хвиль, виробленими чорних дірок. Завдяки вдосконаленню можливостей моделювання на суперкомп’ютерах, вчені стоять одразу на порозі новий типу експериментальної физики.

Астрономы кажуть, що вони знають місце розташування багатьох чорних дір, але поки ми над стані виробляти з ними будь-які експерименти землі. «Тільки одному випадку ми зможемо вивчити деталі сконструювати їх чисельну модель в наших комп’ютерах і стежити ній, «- пояснив професор Бернард Шутц, директор інституту Альберта Ейнштейна. «Гадаю, що вивчення чорних дір буде ключовою темою для досліджень астрономів у першої декаді наступного століття. «.

Звезда-спутник дає можливість прозирнути пил від суперновітньої звезды.

Черные діри не може бути помічені безпосередньо, але астрономи бачать доказ існування, коли гази лізуть на звезду-спутник.

Если підірвати динаміт, то малесенькі осколки вибухової речовини глибоко устромляться у найближчі об'єкти, в такий спосіб залишаючи незмивний доказ що сталося вибуху.

Астрономы знайшли такий відбиток на зірці, яка рухається орбітою навколо чорної діри, небезпідставно вважаючи, аби ця чорна діра — колишня зірка, яка зруйнувалася бо так, що й світло неспроможна подолати її силу гравітації, — виникла результаті наднової зірки.

Свет у тьме.

К цьому часу, астрономи спостерігали вибухи наднових зірок і виявили натомість плямисті об'єкти, які, на думку, і є чорними дірами. Нове відкриття — перше реальне доказ зв’язок між одним подією та інших. (Чорні діри не можна безпосередньо побачити, та про їхній присутності інколи можна судити з дії їх гравітаційного поля на найближчі об'єкти.

Система «звезда-и-чёрная діра », позначена як GRO J1655−40, перебуває приблизно за 25−50 км в 10,000 світлових років у межах нашої галактики Чумацького Шляху. Виявлена 1994 року, вона привернула увагу астрономів сильними спалахами рентгенівських променів і обстрілом радіохвиль, оскільки чорна діра виштовхувала гази на звезду-спутник, що знаходиться з відривом 7.4 мільйонів миль.

Исследователи з Іспанії і Америки почали уважно придивлятися до звезде-спутнику, вважаючи, що воно могло зберегти будь-якої слід, який свідчив про процесі формування чорної дыры.

Считается, що чорні діри, розміром із зірку, є тілами великих зірок, які просто зменшилися до таких розмірів по тому, як витратили весь свій водневе паливо. Однак із незрозумілих поки причин, загасаюча зірка трансформується на сверхновую колись, ніж вибухнути.

Наблюдения системи GRO J1655−40 у серпні та вересні 1994 року дозволили зафіксувати, що потоки выбрасываемого газу мали швидкість, складову до 92% від швидкості світла, що частково доводило наявність там чорної дыры.

Звёздная пыль.

Если вчені не помиляються, то частина підірваних зірок, які, мабуть, в 25−40 разів більше, чим наша Сонце, перетворилася на виживши супутники.

Это саме ті дані, які астрономи виявили.

Атмосфера звезды-спутника містила вищу, ніж зазвичай, концентрацію кисню, магнію, кремнію і сірки — важкі елементи, які можна створені у великому кількості лише за температурі в мультимиллиард градусів, яка досягається під час вибуху суперновітньої зірки. І це стало першим доказом, справді які б справедливість теорії у тому, що деякі чорні діри спочатку виникли як наднові зірки, оскільки побачене неможливо було народжене зіркою, що спостерігали астрономы.

1. «Всесвіт, життя, розум «- И. С. Шкловский.

2. «Від великого вибуху до чорних дір. Коротка історія часу «- Стівен Вільям Хокинг.

3. Internet.

4. Статті з журналів: «International Journal of Modern Physics «і другие.

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.