Фізіка тлумачыць чорныя дзіркі
Чорная дзірка — адзін з самых экстрэмальных аб'ектаў у Сусвеце: вобласць прасторы-часу з такой моцнай гравітацыяй, што нішто, нават святло, не можа выйсці за пэўную кропку. Хоць яны могуць гучаць як зеўраючыя «дзіркі» ў прасторы, чорныя дзіркі насамрэч не з'яўляюцца пустой прасторай, а хутчэй вынікам канцэнтрацыі масы/энергіі ў вельмі малым аб'ёме. У сучаснай фізіцы чорныя дзіркі служаць натуральнымі лабараторыямі для праверкі агульнай тэорыі адноснасці, квантавай механікі і нашага разумення прасторы і часу.
1. Паходжанне канцэпцыі чорных дзірак
Ідэя аб'ектаў з велізарнай гравітацыяй з'явілася яшчэ ў 18 стагоддзі. Аднак грунтоўнае разуменне фізікі з'явілася толькі пасля таго, як Альберт Эйнштэйн сфармуляваў сваю агульную тэорыю адноснасці ў 1915 годзе. У агульнай тэорыі адноснасці гравітацыя разглядаецца не як простая сіла прыцягнення, а як крывізна прасторы-часу, выкліканая масай і энергіяй. Калі аб'ект вельмі масіўны і шчыльны, крывізна прасторы-часу вакол яго становіцца вельмі рэзкай.
У 1916 годзе Карл Шварцшыльд адкрыў першае матэматычнае рашэнне ўраўненняў Эйнштэйна для выпадку сферычнай масы, якая не круціцца. Гэта рашэнне прадказвала пэўны радыус, у межах якога, калі б маса ўтрымлівалася, утварыўся б «гарызонт падзей». Пазней гэтая канцэпцыя развілася ў сучаснае разуменне чорных дзірак.
2. Гарызонт падзей: мяжа «незвароту»
Ключом да раскрыцця інфармацыі пра чорную дзірку з'яўляецца гарызонт падзей, уяўная паверхня, якая пазначае мяжу, дзе хуткасць уцёкаў роўная хуткасці святла. У класічнай фізіцы хуткасць уцёкаў — гэта мінімальная хуткасць, з якой аб'ект можа вырвацца з-пад уздзеяння гравітацыі, не падаючы назад. На Зямлі яна складае каля 11,2 км/с. Аднак, калі аб'ект вельмі масіўны і мае вельмі малы радыус, яго хуткасць уцёкаў можа перавышаць хуткасць святла.
Паколькі, згодна са спецыяльнай і агульнай тэорыяй адноснасці, святло з'яўляецца максімальнай хуткасцю распаўсюджвання інфармацыі і матэрыі, усё, што праходзіць праз гарызонт падзей, не можа адправіць сігнал назад. Вось чаму чорныя дзіркі выглядаюць «чорнымі»: святло, якое ўваходзіць, не можа выйсці, таму ніякае святло не адлюстроўваецца назад да назіральніка.
Матэматычна, для чорнай дзіркі Шварцшыльда радыус яе гарызонту падзей называецца радыусам Шварцшыльда:
rₛ = 2GM / c²
Дзе:
– G — гравітацыйная пастаянная,
– M маса аб'екта,
– c хуткасць святла.
Чым большая маса, тым большы rₛ. Цікава, што чорныя дзіркі не абавязкова павінны быць «маленькімі»; звышмасіўныя чорныя дзіркі маюць гарызонты падзей, якія могуць быць большымі за арбіты планет.
3. Сінгулярнасць: экстрэмальная кропка ў мадэлі адноснасці
У цэнтры чорнай дзіркі агульная тэорыя адноснасці прадказвае сінгулярнасць — вобласць, дзе крывізна прасторы-часу становіцца матэматычна бясконцай, а шчыльнасць масы здаецца бясконцай. Аднак многія фізікі разглядаюць сінгулярнасць як прыкмету таго, што тэорыя (агульная тэорыя адноснасці) няпоўная для такіх экстрэмальных умоў.
Вось тут і ўзнікае патрэба ў тэорыі квантавай гравітацыі: спалучэнні агульнай тэорыі адноснасці і квантавай механікі, якая можа растлумачыць, што адбываецца ў надзвычай малых і энергетычных маштабах. На сённяшні дзень сінгулярнасці застаюцца глыбокім пытаннем — ці існуюць яны на самой справе фізічна, ці з'яўляюцца проста артэфактамі матэматычных мадэляў, якія выходзяць за рамкі іх абсягу.
4. Тыпы чорных дзірак
Увогуле, чорныя дзіркі адрозніваюцца па іх масе і працэсе ўтварэння.
1. Чорная дзірка зорнай масы
Утварыўшыся ў выніку калапсу ядра масіўнай зоркі пасля выбуху звышновай, іх маса звычайна ў некалькі дзясяткаў разоў перавышае масу Сонца.
2. Звышмасіўная чорная дзірка
Размешчаны ў цэнтры галактык, у тым ліку Млечнага Шляху (Стралец А). Іх масы ў мільёны і мільярды разоў перавышаюць масу Сонца. Механізмы іх утварэння ўсё яшчэ вывучаюцца; верагодна, яны адбыліся ў выніку зліцця шматлікіх чорных дзірак і акрэцыі матэрыі на працягу мільярдаў гадоў.
3. Чорныя дзіркі сярэдняй масы
Іх масы вагаюцца ад соцень да соцень тысяч сонечных мас. Колькасць доказаў іх існавання расце, але іх папуляцыя недастаткова добра картаграфавана.
4. Першасныя чорныя дзіркі (гіпатэтычныя)
Лічыцца, што яна ўтварылася ў раннім Сусвеце з-за надзвычай высокіх ваганняў шчыльнасці. Яе існаванне не было даказана, але яна часта абмяркоўваецца ў касмалогіі і з'яўляецца кандыдатам на ролю цёмнай матэрыі.
5. Уплыў чорных дзірак на навакольнае асяроддзе: акрэцыя і дыскі
Нягледзячы на тое, што самі чорныя дзіркі не выпраменьваюць святло, іх навакольнае асяроддзе можа быць неверагодна яркім. Па меры таго, як газ і пыл падаюць да чорнай дзіркі, матэрыял часта ўтварае акрэцыйны дыск. Трэнне і нагрэў, выкліканыя яго хуткім спіральным рухам, прымушаюць гэты дыск выпраменьваць велізарную колькасць энергіі, у асноўным у выглядзе рэнтгенаўскіх прамянёў.
У актыўных звышмасіўных чорных дзірках акрэцыйныя дыскі могуць ствараць квазары — адны з самых яркіх аб'ектаў у Сусвеце. Акрамя таго, некаторыя чорныя дзіркі выпраменьваюць рэлятывісцкія струмені, струмені высокаэнергетычных часціц, якія выстрэльваюць з полюсоў чорнай дзіркі з хуткасцямі, блізкімі да хуткасцей святла. Гэтыя струмені ўзаемадзейнічаюць з міжзоркавым асяроддзем і могуць уплываць на эвалюцыю галактык.
6. Адноснасць часу паблізу чорнай дзіркі
Адно з найбольш цікавых прадказанняў агульнай тэорыі адноснасці — гравітацыйнае запаволенне часу. Чым мацнейшае гравітацыйнае поле, тым павольней цячэ час у параўнанні з абласцямі са слабейшай гравітацыяй (з пункту гледжання суадносін паміж двума назіральнікамі). Паблізу гарызонту падзей гэты эфект становіцца асабліва моцным.
Для аддаленага назіральніка аб'ект, які падае да чорнай дзіркі, здаецца, што ён запавольваецца і «замярзае» па меры набліжэння да гарызонту падзей, яго святло становіцца чырванейшым (зрушаным у чырвонае святло) і цьмянее. Аднак для самога падаючага аб'екта (у лакальнай сістэме адліку) ён праходзіць праз гарызонт падзей за канчатковы час, а затым працягвае рух да цэнтра, не адчуваючы ніякага лакальнага «спынення часу». Гэта адрозненне ў перспектыве не з'яўляецца супярэчнасцю, а хутчэй вынікам рэлятывісцкай структуры прасторы-часу.
7. Выпраменьванне Хокінга: чорныя дзіркі могуць «выпарацца»
У 1970-х гадах Стывен Хокінг аб'яднаў канцэпцыі квантавай механікі з прасторай-часам паблізу гарызонту падзей і выявіў, што чорныя дзіркі павінны выпраменьваць цеплавое выпраменьванне, якое цяпер вядома як выпраменьванне Хокінга. Проста кажучы, квантавыя флуктуацыі ў вакууме могуць ствараць пары часціца-антычасціца. Калі адна трапляе ў чорную дзірку, а другая вылятае, то з пункту гледжання далёкага назіральніка чорная дзірка выпраменьвае часціцу.
Вынік нечаканы: чорныя дзіркі могуць павольна губляць масу і ў рэшце рэшт выпарацца. Аднак для чорных дзірак зорнай масы або звышмасіўных чорных дзірак гэтая хуткасць выпарэння вельмі малая — у большасці выпадкаў значна меншая за працэс акрэцыі. Выпраменьванне Хокінга асабліва важна для малых (гіпатэтычных) чорных дзірак, таму што чым меншая маса чорнай дзіркі, тым вышэйшая тэмпература яе выпраменьвання.
8. Доказы існавання чорных дзірак
Паколькі чорныя дзіркі не выпраменьваюць святло непасрэдна, доказы іх існавання паходзяць з уздзеяння гравітацыі і выпраменьвання ад навакольнага рэчыва. Некаторыя з асноўных доказаў:
– Рух зорак вакол цэнтра галактыкі:
Назіранні арбіт зорак паблізу Стральца А паказваюць на наяўнасць вельмі кампактнай, вялікай масы, што адпавядае звышмасіўнай чорнай дзірцы.
– Падвойныя зорныя сістэмы і рэнтгенаўскія прамяні:
Калі зорка круціцца вакол вельмі масіўнага нябачнага аб'екта, і матэрыял з зоркі выцякае, утвараючы акрэцыйны дыск, можна выявіць моцнае рэнтгенаўскае выпраменьванне.
– Гравітацыйныя хвалі:
Дэтэктары LIGO і Virgo назіралі гравітацыйныя хвалі ад зліцця чорных дзірак. Гэтыя сігналы адпавядаюць прадказанням агульнай тэорыі адноснасці.
– Выява ценю чорнай дзіркі:
Тэлескоп Event Horizon Telescope (EHT) паспяхова сфатаграфаваў «цень» чорнай дзіркі ў галактыцы M87, а затым і ў галактыцы Стралец А. Бачная не сама чорная дзірка, а хутчэй сілуэт гарызонту падзей на фоне святла ад навакольнага гарачага газу.
9. Адкрытыя пытанні: інфармацыя і квантавая гравітацыя
Чорныя дзіркі таксама ствараюць фундаментальныя праблемы, адна з якіх — парадокс інфармацыі. У квантавай механіцы інфармацыя пра стан сістэмы не павінна губляцца. Аднак, калі чорная дзірка выпараецца з-за, здавалася б, выпадковага выпраменьвання Хокінга, куды падзелася інфармацыя пра матэрыю, якая калісьці ў яе ўпала? Гэтая дыскусія падсілкавала развіццё тэорыі струн, галаграфіі і ідэі, што інфармацыя можа захоўвацца на гарызонце падзей у нейкай форме.
Выснова
Чорныя дзіркі — гэта не толькі экзатычныя астранамічныя аб'екты, але і скрыжаванне двух слупоў сучаснай фізікі: агульнай тэорыі адноснасці і квантавай механікі. Ад гарызонтаў падзей і запаволення часу да яркіх акрэцыйных дыскаў і ледзь прыкметнага выпраменьвання Хокінга, чорныя дзіркі дэманструюць, як Сусвет можа функцыянаваць на мяжы нашых тэорый. Даследаванні чорных дзірак працягваюць прасоўвацца дзякуючы назіранням гравітацыйных хваль, тэлескопам высокага разрознення і развіццю квантавай гравітацыі, што дае надзею на тое, што адна з найвялікшых загадак космасу можа паступова лепш разумецца.
