Дозвольте пролити світло на чорні діри

Дозвольте пролити світло на чорні дірки

                      Підготувала: учениця 10-А класу

Житомирського міського колегіуму

Близнюк Анна Олександрівна

Кажуть, що враження при першому знайомстві найважливіше. Знайомлячись з інформацією про  чорні діри, яких тільки слів не почуєш: «монстри», «канібали», «космічні поглиначі», «галактичні пилососи» і враження не найприємніші. Чому ці космічні об’єкти так називають? Напевно, спрацьовує давня істина: «Усе, чого людина не знає, те її лякає». Що ж, спробуємо розібратися, що таке чорні діри.

Як відомо, усі зірки мають обмежений запас «палива» - водню та гелію, який через мільярди років закінчиться, тому що основним джерелом енергії зорі є термоядерний синтез, внаслідок чого весь водень та гелій вигоряє, і зоря «згасає». Процес згасання супроводжується  інтенсивними термоядерними реакціями, в ході яких зоря «скидає» свою оболонку(зовнішні шари), а ядро, в залежності від розміру зорі, може перетворитися на білого карлика, нейтронну зорю  або ж на чорну діру. В останню чергу, зазвичай, перетворюються зорі, маса яких перевищує 10 мас Сонця. У такому випадку процес протікання термоядерних реакцій проходить у два цикли: протон-протонний та вуглецево-азотний. Після завершення другого циклу відбувається вибух наднової, внаслідок чого оболонка зорі перетворюється у волокнисту туманність і розлітається у навколишній простір з величезною швидкістю: до 20 тис. км/с. А ядро зорі починає охолоджуватись та стискатися і, досягнувши значної  густини, електрони в ньому  поєднуються з протонами, утворюючи нейтрони. Науці відомо, що гравітація стискає матерію, яка переважно складається з нейтронів,  настільки, що її величезна маса концентрується в кулі малого об’єму, густина якої перевищує десятки мільонів т/см³.  Радіус, до якого повинна стиснутись зоря, щоб стати чорною дірою, називається гравітаційним радіусом, який обраховується за формулою         Якщо по заданій формулі порахувати гравітаційний радіус для Землі,  то вийде, що нашу планету необхідно стиснути до кульки з радіусом 8,87мм.

Саме за таких умов звичні закони фізики припиняють свою дію і утворюється чорна діра, гравітаційне поле якої  настільки потужне, що навіть світлу не вдається вирватися за її межі, а час та простір викривлюються. Існують припущення, що час всередині чорної діри протікає значно повільніше, ніж зазвичай, а світловий промінь (приклад прямої лінії) закручується в спіраль. Гравітаційне вихрове поле навколо чорної діри утворює так званий Горизонт   подій – сфера певного радіусу, де це поле діє. На межі цього Горизонту чинити опір гравітації немає сенсу: чим сильніше опиратися, тим швидше «затягне» всередину.

Оскільки чорні діри не випромінюють світла, то побачити їх, навіть у найпотужніші телескопи, неможливо.  Вчені стверджують, що виявити чорні діри можна в дещо інші способи. Якщо фіксуються незрозумілі відхилення в русі видимих астрономічних об’єктів, то ймовірно, що поруч знаходиться чорна діра, яка своїм гравітаційним полем суттєво змінює траєкторію близьких об’єктів. Або, коли до Горизонту подій потрапляє  зоря, тоді чорна діра «поглинає» речовину цієї зорі, внаслідок чого утворюється акреційний диск – це газ зорі, який під дією сильної гравітації обертається навколо діри та поступово «засмоктується» в неї.

Саме так вперше чорна діра була помічена в телескоп у 1971 році. Хоча теоретичне існування чорних дір, ще в далекому 1783 році, припускав англійський священик Джон Мічелл, який на дозвіллі захоплювався астрономією. За його розрахунками , якщо наше Сонце стиснути до радіуса 3 км, утвориться настільки велика сила гравітації, що навіть світло не зможе її покинути. Про що він і написав у листі до Королівської спільноти. Так з’явилося поняття «чорна діра».

Кілька десятків учених досліджували феномен «чорної діри», ще більше було висунуто гіпотез. Так, Стівен Хокінг, Вернер Ізраель, Девід Робінсон, Брендон Картер припускали, що при утворенні чорної діри зберігаються лише маса, заряд та момент імпульсу. Інші властивості для зовнішнього спостерігача відсутні. Хоча згодом Стівен Хокінг відкрив цікавий факт: чорні діри виділяють випромінювання. Це стосується лише дірок невеликої маси. Потужна гравітація біля них породжує пари частинок і античастинок, один з пари втягується дірою всередину, а другий викидається назовні.

Таким чином, чорна діра випромінює жорсткі античастинки та гамма-кванти. Це випромінювання було названо на честь вченого, який його відкрив – «випромінювання Хокінга». Наслідком існування цих фотонів буде те, що замість чіткої лінії Горизонту подій у чорної діри буде своєрідний набір з "волосся", що складається з "м'яких фотонів" з нульовою енергією, на яких, як на голограмі, буде записана частина інформації щодо поглинутих частинок. Цей своєрідний "екран" буде оновлювати свій вміст кожен раз, коли чорна діра буде випускати чергову порцію випромінювання Хокінга, що ще більше ускладнить його вивчення. Ці частинки присутні у Всесвіті у великій кількості. Через нульову енергію їх неможливо помітити за допомогою сучасних приладів. Враховуючи здатність до випромінювання, вчений припустив, що з часом чорна діра почне випаровуватись, поки не віддасть усю свою масу у навколишній космос.

Безперечно, чорні діри найзагадковіші об’єкти нашого Всесвіту. Люди, у порівнянні з ними, схожі на метеликів-одноднівок,  намагаються спостерігати за «галактичними жителями», які утворюються мільярди років, а існують ще довше. Але самі люди є не менш загадковими, тому що, незважаючи на свою крихітність і тендітність, вони підкорюють планети, розгадують вікові загадки та пізнають незвідані світи. Тому, рано чи пізно, загадку чорних дір буде розгадано і сформується правильне бачення природи цих космічних об’єктів.