Пошук по сайту


«Коротка історія часу» - Сторінка 9

«Коротка історія часу»

Сторінка9/18
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   18


Термін «чорна діра» виник зовсім недавно. Його запровадив 1969 року американський науковець Джон Вілер, щоб графічно описати поняття, яке появилося близько двохсот років тому, коли існували дві теорії про світло: згідно з першою теорією, якій віддавав перевагу Ньютон, світло складалося з частинок; згідно з другою — з хвиль. Тепер ми вже знаємо, що насправді обидві теорії правильні. Згідно з корпускулярно-хвильовим дуалізмом квантової механіки, світло можна розглядати і як хвилю, і як частинку. Теорія, яка стверджувала, що світло складається з хвиль, не пояснювала, як воно реагуватиме на силу тяжіння. Але якщо світло складається з частинок, то можна було б очікувати, що гравітація діє на них так само, як на гарматні ядра, ракети та планети. Спочатку люди гадали, що частинки світла рухаються нескінченно швидко, і тому сила тяжіння не може сповільнити їхнього руху. Проте Ремер відкрив, що світло поширюється з кінцевою швидкістю, тому гравітація може істотно впливати. Виходячи з цього припущення, викладач Кембридзького університету Джон Мічел опублікував 1783 року статтю в часописі «Філософські праці Лондонського королівського товариства», в якій зазначив, що достатньо масивна і компактна зоря матиме таке сильне гравітаційне поле, що світло не зможе вирватися: будь-яке світло, випромінене поверхнею зорі, перш ніж змогло б сильно віддалитись, затягне назад її гравітаційне притягання. Мічел припустив, що може бути сила-силенна таких зір. Хоч ми не в змозі бачити їх, бо їхнє світло не доходить до нас, однак ми відчуватимемо їхнє гравітаційне притягання. Тепер такі об’єкти ми називаємо чорними дірами, адже вони саме такі: чорні порожнини в космосі. Через кілька років, вочевидь, незалежно від Мічела подібну пропозицію висунув французький науковець маркіз де Лаплас. Доволі цікаво, що Лаплас згадує її тільки у першому та другому виданнях своєї книжки «Система світу» і випускає в подальших, можливо, він вирішив, що це була божевільна ідея. (Крім того, корпускулярна теорія світла потрапила в неласку в ХІХ столітті. Тоді здавалося, що все можна пояснити за допомогою хвильової теорії, а відповідно до неї було неочевидно, що сила тяжіння взагалі впливає на світло). Насправді це не послідовно — розглядати світло як гарматні ядра в Ньютоновій теорії гравітації, бо швидкість світла стала[22]. (Гарматне ядро, яке летить угору від Землі, буде сповільнюватися під дією сили тяжіння, врешті-решт зупиниться і почне падати назад; тоді як фотон продовжуватиме рухатись угору зі сталою швидкістю. Тож як впливає Ньютонова сила тяжіння на світло?) Послідовна теорія про те, як сила тяжіння впливає на світло, з’явилася допіру тоді, коли 1915 року Айнштайн запропонував загальну теорію відносності. Та минуло ще чимало часу, поки зрозуміли її наслідки для масивних зір. Щоб збагнути, як може утворитися чорна діра, потрібно спершу зрозуміти життєвий цикл зорі. Зоря утворюється тоді, коли велика кількість газу (здебільшого водню) починає стягуватися завдяки своєму гравітаційному притяганню. Вона стискається, атоми газу дедалі частіше зіштовхуються один з одним, на щораз більшій швидкості — газ нагрівається. Врешті газ стає такий гарячий, що атоми водню при зіткненні вже не відскакують один від одного, а зливаються, утворюючи гелій. Тепло, що виділяється під час цієї реакції, схожої на керований вибух водневої бомби, викликає світіння зорі. Це додаткове тепло також підвищує тиск газу, поки він не урівноважить гравітаційне притягання і газ не перестане стискатися. Це трохи схоже на повітряну кулю, де є баланс між тиском повітря всередині, яке намагається збільшити розміри кулі, та натягом гуми, що намагається зробити кульку меншою. Зорі залишатимуться в такому стабільному стані ще довго, допоки тепло від ядерних реакцій урівноважуватиме гравітаційне притягання. Однак врешті-решт у зорі вичерпається водень та інше ядерне паливо. Звучить як парадокс, але що більше палива зоря має від самого початку, то швидше воно закінчується. Річ ось у чому: що масивніша зоря, то гарячіша вона має бути, щоб урівноважити своє гравітаційне притягання. А що гарячіша, то швидше вона використає паливо. Нашому Сонцю, ймовірно, вистачить палива ще приблизно на п’ять мільярдів років, однак масивніші зорі можуть вичерпати своє паливо вже через сотню мільйонів років — за менше часу, ніж існує наш Всесвіт. Коли в зорі закінчується паливо, вона холоне і стискається. А що стається з нею опісля, вперше збагнули наприкінці 1920-х років. 1928 року індійський аспірант Субраманьян Чандрасекар вирушив до Англії, де навчався в Кембриджі у британського астронома сера Артура Единґтона, фахівця із загальної теорії відносності. (Кажуть, що на початку 1920-х років один журналіст сказав Единґтонові, що чув, нібито лише троє людей у всьому світі розуміють загальну теорію відносності. Единґтон задумався, а тоді відповів: «Я намагаюся згадати, хто цей третій».) Під час морської подорожі з Індії Чандрасекар розрахував, якої величини могла бути зоря, щоб і далі опиратися силі власного тяжіння після того, як витратить усе своє паливо. Ось до якого висновку він дійшов: коли зоря зменшується, частинки речовини наближаються одна до одної, а згідно з принципом Паулі, вони мусять мати дуже різні швидкості. Це змушує їх віддалятися одна від одної і це приводить до того, що зоря збільшується. Так зоря зберігає постійний радіус, утримуючи рівновагу між гравітаційним притяганням і відштовхуванням, яке виникає з принципу Паулі — так само як раніше тепло зрівноважувало гравітацію. Утім Чандрасекар зрозумів, що відштовхування, яке може забезпечити принцип Паулі, має певну межу. Теорія відносності обмежує максимальну різницю у швидкостях частинок речовини в зорі швидкістю світла. Це означає, що коли зоря стане достатньо щільною, відштовхування, спричинене принципом Паулі, буде слабше за гравітаційне притягання. Чандрасекар вирахував, що холодна зоря, маса якої у півтора раза перевищує масу Сонця, не зможе опиратися силі власного тяжіння. (Цю масу тепер називають Чандрасекаровою границею). Таке ж відкриття зробив приблизно в той же час російський науковець Лев Давидович Ландау. Це мало неабиякі наслідки для подальшої долі масивних зір. Якщо маса зорі менша за Чандрасекарову границю, вона може врешті-решт перестати стискатися і зупиниться в одному можливому кінцевому стані, такому як «білий карлик», з радіусом кілька тисяч миль і густиною сотень тон на кубічний дюйм. Білий карлик підтримується внаслідок відштовхування електронів у його речовині, згідно з принципом Паулі. Ми спостерігаємо велику кількість таких білих карликів. Один із перших виявлених — зоря, що рухається по орбіті навколо Сиріуса, найяскравішої зорі на нічному небі. Ландау зазначив, що зоря може мати ще один кінцевий стан, також з граничною масою приблизно рівною одній чи двом масам Сонця, але при цьому набагато менша, ніж навіть білий карлик. Ці зорі, згідно з принципом Паулі, підтримуються внаслідок відштовхування між нейтронами і протонами, а не між електронами. Через це такі зорі назвали нейтронними. Їхній радіус дорівнює всього десять миль, а густина — сотні мільйонів тон на кубічний дюйм. У той час, коли нейтронні зорі вперше передбачили, не було жодного способу, щоб їх можна було спостерегти. Виявили їх значно пізніше. З іншого боку, зорі, маса яких перевищує Чандрасекарову границю, мають велику проблему, коли закінчується їхнє паливо. У деяких випадках вони вибухають або позбуваються достатньої кількості речовини, зменшуючи свою масу до нижчої за граничну і так уникають катастрофічного гравітаційного колапсу. Але важко повірити в те, що так відбувається завжди, хоч би яка велика була зоря. Як вона знатиме, що має скинути вагу? Та й навіть якщо кожній зорі вдасться позбутися достатньої маси, щоб уникнути колапсу, що трапиться, якщо ви додасте більше маси до білого карлика чи нейтронної зорі, щоб вони перевищили границю? Чи вона колапсуватиме до нескінченної густини? Единґтона приголомшило таке припущення і він відмовлявся вірити висновкам Чандрасекара. Единґтон вважав, що зоря просто не може сколапсувати в одну точку. Так гадало більшість науковців: сам Айнштайн написав статтю, у якій стверджував, що зорі не скорочуватимуться до нульового розміру. Ворожість інших науковців, особливо Единґтона, його колишнього вчителя і чільного фахівця зі структури зір, переконала Чандрасекара відмовитися від подальших досліджень у цьому напрямі й узятися натомість за інші проблеми в астрономії, як-от рух зоревих скупчень. Проте, коли він 1983 року був відзначений Нобелівською премією, то це було, принаймні почасти, за ранні роботи про граничну масу холодних зір. Чандрасекар показав, що принцип Паулі не може зупинити колапс зорі, маса якої перевищує Чандрасекарову границю. Однак відповідь на питання, що ж станеться з такою зорею, згідно з загальною теорією відносності, уперше дав молодий американець Роберт Опенгаймер 1939 року. Втім він дійшов висновку, що не буде ніяких спостережних наслідків, які могли б виявити тогочасні телескопи. Невдовзі вибухнула Друга світова війна, і сам Опенгаймер активно долучився до проєктування атомної бомби. Після війни проблема гравітаційного колапсу була значною мірою забута, бо більшість науковців зацікавилися тим, що відбувається в масштабах атома та його ядра. Інтерес до великомасштабних проблем астрономії і космології, однак, відродився у 1960-х роках завдяки великому збільшенню числа і діяпазону астрономічних спостережень, викликаних застосуванням сучасних технологій. Тоді ж багато хто перевідкрив праці Опенгаймера і продовжив їх. Завдяки праці Опенгаймера ми тепер маємо таку картину. Гравітаційне поле зорі змінює траєкторії світлових променів у просторі-часі відносно тих, які б вони мали, якби зорі не було. Світлові конуси, що позначають шляхи, якими рухаються у просторі й часі спалахи світла, що їх випромінюють верхівки конусів, дещо ввігнуті у бік поверхні зорі. Про це свідчить і викривлення світлових променів від далеких зір, яке можна спостерігати під час затемнення Сонця. Коли зоря стискається, гравітаційне поле біля її поверхні сильнішає, а світлові конуси вгинаються ще більше. Світлу стає важче покинути поверхню зорі, тому далекому спостерігачеві світло здається тьмянішим і червонішим. Врешті-решт зоря стягується до критичного радіуса, і гравітаційне поле біля її поверхні стає таке сильне, що світло не може покинути зорю, адже світлові конуси занадто сильно ввігнуті (рис. 6.1). Згідно з теорією відносності, ніщо не може рухатися швидше за світло. Якщо світло не може вирватися з поверхні зорі, то щось інше — й поготів. Гравітаційне поле тягне все назад. Отож маємо послідовність подій, область простору-часу, з якої ніщо не може вирватися і досягти віддаленого спостерігача. Ця область — те, що ми тепер називаємо чорної дірою. Її межа, названа горизонтом подій, збігається з траєкторіями світлових променів, що просто не в змозі вирватися з чорної діри. Для того щоб зрозуміти, що б ви побачили, якби спостерігали за тим, як зоря колапсує і утворює чорну діру, мусите пам’ятати, що згідно з теорією відносності абсолютного часу не існує. Кожен спостерігач по-своєму вимірює час. Через гравітаційне поле зорі час для когось, хто на її поверхні, відрізнятиметься від часу для когось, хто на відстані від неї. Уявімо собі безстрашного астронавта на поверхні колапсівної зорі, що колапсує з нею всередину і щосекунди посилає, за своїм годинником, сигнал на космічний корабель, що обертається навколо зорі. Якоїсь миті, наприклад об 11:00, зоря стягнеться до радіуса, меншого за критичний, і гравітаційне поле стане таким сильним, що ніщо не зможе з нього вирватися, тож сигнали більше не досягатимуть корабля. З наближенням до 11:00 його товариші, спостерігаючи з корабля, виявлятимуть, що інтервали між послідовними сигналами від астронавта все довші й довші, однак цей ефект буде дуже малий до 10:59:59. Між сигналами, що їх астронавт послав о 10:59:58 і 10:59:59, мине трішки більше за секунду, а от сигналу від 11:00 вони мали б чекати вічно. Світлові хвилі, що випромінюються з поверхні зорі між 10:59:59 і 11:00 за годинником астронавта, розтягнуться за міркою корабля на нескінченний проміжок часу. Часовий інтервал між прибуттям послідовних хвиль на корабель ставатиме щораз довшим, тому світло від зорі здаватиметься чимраз червонішим і слабшим. Врешті-решт зоря стане такою тьмяною, що її не можна буде бачити з космічного корабля: залишиться тільки чорна діра у просторі. Зоря, проте, продовжуватиме діяти такою ж силою тяжіння на космічний корабель, який буде, як і раніше, обертатися довкола чорної діри. Утім такий сценарій не зовсім реалістичний, хоч і через іншу проблему. Що далі від зорі ви перебуваєте, то слабша її сила тяжіння. Тому на ноги нашого астронавта-сміливця завжди діятиме сильніша гравітаційна сила, ніж на його голову. Ця різниця в силах розтягуватиме нашого астронавта як спагеті або розірве його на шматки ще до того, як зоря стиснеться до критичного радіуса, коли утворюється горизонт подій! Утім ми вважаємо, що у Всесвіті є значно більші об’єкти, як-от центральні області галактик, які також можуть зазнати гравітаційного колапсу й утворити чорні діри; якийсь астронавт на одній з них не буде розірваний на шматки ще до того, як виникне чорна діра. Він, по суті, не відчуватиме нічого особливого, коли досягне критичного радіуса, і взагалі може не помітити, як мине точку неповернення. Проте область продовжуватиме колапсувати, і через декілька годин різниця між гравітаційними силами, що діятимуть на голову та ноги астронавта, так зросте, що знов-таки розірве його на шматки. Робота, яку Роджер Пенроуз і я виконали у 1965–1970 роках показала, що згідно із загальною теорією відносності в чорній дірі мусить існувати сингулярність нескінченної густини та кривини простору-часу. Щось схоже на Великий вибух на початку часу, тільки цього разу це кінець часу для колапсівного тіла й астронавта. У такій сингулярності зазнають краху всі закони науки і наша здатність прогнозувати майбутнє. Однак непрогнозовність жодним чином не вплине на спостерігача, що перебуватиме поза чорною дірою, адже із сингулярності його не зможе досягти ані світло, ані якийсь інший сигнал. З огляду на цей чудовий факт Роджер Пенроуз висунув гіпотезу космічної цензури, яку можна перефразувати так: «Бог не терпить голої сингулярності». Іншими словами, сингулярності, спричинені гравітаційним колапсом, відбуваються тільки в місцях на кшталт чорних дір, де горизонт подій поштиво ховає їх від стороннього ока. Строго кажучи, це так звана слабка гіпотеза космічної цензури: вона захищає спостерігачів, які перебувають поза чорною дірою, від наслідків краху прогнозовності, що відбувається у сингулярності, але вона жодним чином не може зарадити бідолашному астронавтові, який падає в діру. Рис. 6.1.  

Є деякі розв’язки рівнянь загальної теорії відносності, що дозволяють нашому астронавтові побачити голу сингулярність: він може уникнути зіткнення із сингулярністю, а натомість провалитися крізь «червоточину» і вийти в іншій області Всесвіту. Це дало б великі можливості для мандрів у просторі й часі, але, на жаль, виявляється, всі ці розв’язки вкрай нестабільні. Найменше збурення, наприклад, як присутність астронавта, може змінити їх так, що астронавт не зможе побачити сингулярності, аж поки не зіткнеться з нею, і його час не добіжить кінця. Іншими словами, сингулярність завжди буде в його майбутньому, і ніколи — в минулому. Сильна версія гіпотези космічної цензури стверджує, що в реалістичному розв’язку сингулярності завжди будуть або повністю у майбутньому (як сингулярності гравітаційного колапсу) або повністю у минулому (як Великий вибух). Я твердо вірю в космічну цензуру, тому побився у заклад із Кіпом Торном і Джоном Прескілом з Каліфорнійського технологічного інституту, що вона завжди буде справедлива. Однак я програв через технічні деталі, бо були пред’явлені приклади розв’язків для сингулярності, яку було видно здалеку. Отож мені довелося брязнути гаманцем і, згідно з умовою суперечки, прикрити їхню наготу. Але я можу претендувати на моральну перемогу. Голі сингулярності були нестабільні: через найменше збурення вони або зникнуть, або сховаються за горизонтом подій. Тому вони не можуть трапитися у реалістичних ситуаціях. Горизонт подій — межа області простору-часу, з якої неможливо вирватися — діє швидше як однобічна мембрана довкола чорної діри: об’єкти на кшталт необачних астронавтів можуть провалитися крізь горизонт подій у чорну діру, але ніщо не може вийти з чорної діри через горизонт подій. (Не забувайте, що горизонт подій — це траєкторія у просторі-часі світла, яке силкується вирватися з чорної діри, а ніщо не може рухатися швидше за світло.) Горизонт подій досить добре можна описати так, як поет Данте описав вхід до пекла: «Хто йде сюди, покинь усі надії!». Усе і всяк, що падає через горизонт подій, незабаром досягне області нескінченної густини та кінця часу. Загальна теорія відносності прогнозує, що важкі рухомі об’єкти спричинять випромінювання гравітаційних хвиль — брижів у кривині простору, що рухаються зі швидкістю світла. Вони схожі на світлові хвилі, брижі електромагнетного поля, однак їх набагато важче виявити. Вони можуть бути спостережені завдяки ледь помітній зміні відстані, що вони спричиняють між об’єктами, які вільно рухаються. Декілька детекторів, які будують у США, Європі та Японії, вимірюватимуть зміщення на одну тисячамільйонмільйонмільйонну частку [милі] (одиниця з 21 нулем), або ж менше за [розмір] ядра атома, поділений на десять миль. Як і світло, гравітаційні хвилі несуть енергію від об’єктів, що їх випромінюють. Тому можна припускати, що система масивних об’єктів врешті-решт заспокоїться і перейде в стаціонарний стан, адже випромінювання гравітаційних хвиль забере енергію всякого руху. (Це швидше схоже на те, як кинути у воду поплавець: спочатку він багаторазово гойдатиметься вгору-вниз, але позаяк брижі забирають його енергію, він перейде у стаціонарний стан.) Наприклад, рух Землі по своїй орбіті довкола Сонця спричиняє гравітаційні хвилі. Через втрату енергії орбіта Землі буде змінюватися, так що поступово вона стає щораз ближчою до Сонця, зрештою зіткнеться з ним і перейде у стаціонарний стан. Швидкість втрати енергії в разі Землі та Сонця дуже низька — вистачить хіба що на маленький електрообігрівач. Тобто в Землі це забере десь тисячу мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років, щоб зіткнутися з Сонцем. Тож нема чого прямо тепер хвилюватися! Зміна орбіти Землі занадто повільна, щоб її заміряти, але ось уже кілька років спостерігають за таким самим явищем у системі PSR 1913 + 16 (PSR означає “пульсар,” особливий тип нейтронної зорі, що випромінює регулярні радіоімпульси). Ця система складається з двох нейтронних зір, що обертаються одна навколо одної. Енергія, яку вони втрачають через випромінювання гравітаційних хвиль, змушує їх рухатися по спіралі назустріч одна одній. Дж. Г. Тейлор і Р. А. Галс за це підтвердження загальної теорії відносності здобули 1993 року Нобелівську премію. Ці нейтронні зорі зіткнуться десь через триста мільйонів років. Просто, перш ніж це станеться, вони так швидко обертатимуться, що випромінюватимуть достатню кількість гравітаційних хвиль для детекторів на кшталт ЛІГО (LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-інтерферометрична гравітаційнохвильова обсерваторія). Під час гравітаційного колапсу зорі́ з утворенням чорної діри рухи будуть набагато швидші, тому інтенсивність, з якою енергія відноситься, буде набагато вища. Отож мине не надто багато часу до того, як вона опиниться в стаціонарному стані. Як цей кінцевий етап виглядатиме? Можна припустити, що це залежатиме від усіх складних властивостей зорі — не тільки її маси та швидкості обертання, а й різних густин різних частин зорі та складних рухів газів усередині неї. А якщо б чорні діри були такі ж різноманітні, як об’єкти, що з них вони утворилися, то було б страшенно важко щось спрогнозувати щодо чорних дір загалом. Утім 1967 року канадський науковець Вернер Ізраель (який народився у Берліні, виріс у Південній Африці та захистив докторську дисертацію в Ірландії) зробив справжнісіньку революцію в дослідженні чорних дір. Ізраель показав, що згідно із загальною теорією відносності необертні чорні діри мають бути дуже прості; вони ідеально сферичної форми, їхній розмір залежить тільки від їхньої маси, а будь-які дві такі чорні діри з однаковою масою ідентичні. Їх можна, по суті, описати окремим розв’язком рівнянь Айнштайна, відомим ще з 1917 року і знайденим Карлом Шварцшильдом невдовзі після відкриття загальної теорії відносності. Спочатку багато хто, зокрема й сам Ізраель, стверджували, що позаяк чорні діри мають бути ідеально сферичні, то будь-яка з них може утворитися тільки в результаті колапсу ідеально сферичного об’єкта. Отож будь-яка реальна зоря — яка ніколи не буває ідеально сферична — може сколапсувати тільки з утворенням голої сингулярності. Було, однак, інше тлумачення результату Ізраеля, з яким виступили, зокрема, Роджер Пенроуз і Джон Вілер. Вони заявили: що швидкі рухи, пов’язані з колапсом зорі, означатимуть, що випромінені нею гравітаційні хвилі, роблять її форму все сферичнішою, і до того моменту, коли вона опиниться в стаціонарному стані, буде точно сферична. Згідно з цим твердженням, будь-яка необертна зоря, хоч з якою складною формою чи внутрішньою структурою, врешті після гравітаційного колапсу буде як ідеально сферична чорна діра, розмір якої залежатиме тільки від її маси. Подальші розрахунки підтвердили цей погляд, який незабаром став загальновизнаним. Ізраелів результат стосувався тільки чорних дір, утворених з необертних тіл. 1963 року новозеландець Рой Кер знайшов сукупність розв’язків рівнянь загальної теорії відносності, що описували обертні чорні діри. Ці «Керові» чорні діри обертаються зі сталою швидкістю, а їхній розмір і форма залежать тільки від маси та швидкості обертання. Якщо обертання нульове, то чорна діра ідеально кругла, а розв’язок збігається з Шварцшильдовим. Якщо ж обертання не нульове, то чорна діра випинається назовні поблизу екватора (так само як випинаються внаслідок свого обертання Земля чи Сонце), і що швидше вона обертається, то більше випинається. Щоб поширити результат Ізраеля на обертні тіла, припустили, що всяке обертне тіло, яке внаслідок колапсу утворило чорну діру, врешті-решт перейде у стаціонарний стан, описуваний розв’язком Кера. 1970 року мій кембридзький колега-аспірант Брендон Картер зробив перший крок до доведення цього припущення. Він довів, що якщо стаціонарна обертна чорна діра має вісь симетрії — як така собі дзиґа — то її розмір і форма залежатимуть тільки від її маси та швидкості обертання. Тоді 1971 року я довів, що будь-яка стаціонарна обертна чорна діра справді матиме таку вісь симетрії. Зрештою, 1973 року Дейвід Робінсон із Королівського коледжу в Лондоні скористався моїми та Картеровими результатами і показав, що припущення правильне: така чорна діра справді буде розв’язком Кера. Отже, після гравітаційного колапсу чорна діра опиниться в стані, в якому вона може обертатися, та не пульсувати. До того ж її розмір і форма залежатимуть тільки від її маси та швидкості обертання, а не від природи тіла, що утворило чорну діру внаслідок колапсу. Цей результат став відомий висловом: «Чорна діра не має волосся». Теорема про «безволосся» має велике практичне значення, адже вона сильно обмежує можливу кількість типів чорних дір. Тому можна створити детальні моделі об’єктів, що можуть містити чорні діри, і порівняти передбачення моделей зі спостереженнями. Крім того, це означає, що дуже великий обсяг інформації про тіло, що сколапсувало, має бути втрачений, коли утворилася чорна діра, адже опісля ми можемо виміряти хіба що масу та швидкість обертання цього тіла. Значення цього буде видно з дальшого розділу. Чорні діри — це лише один із небагатьох випадків в історії науки, коли теорію докладно побудували як математичну модель, перш ніж були хоч якісь результати спостережень на підтвердження, що вона правильна. Справді, це раніше був основний аргумент противників чорних дір: як можна вірити в об’єкти, єдиний доказ існування яких — це розрахунки на підставі сумнівної загальної теорії відносності? Однак 1963 року астроном Паломарської обсерваторії в Каліфорнії Маартен Шмідт виміряв червоний зсув ледь помітного зореподібного об’єкта у напрямі джерела радіохвиль під назвою 3C273 (номер джерела 273 у третьому Кембридзькому каталозі радіоджерел). Він визначив, що той занадто великий, щоб його спричинило ґравітаційне поле: якби це був гравітаційний червоний зсув, об’єкт мав би бути такий масивний і близький до нас, що порушив би орбіти планет у Сонцевій системі. Це дозволило припустити, що натомість червоний зсув викликаний розширенням Всесвіту, а це, своєю чергою, означало, що об’єкт був на дуже великій відстані. І щоб його було видно з такої великої відстані, об’єкт мусить бути надзвичайно яскравий, тобто випромінювати величезну кількість енергії. Єдиним, який міг спасти на думку, механізмом, що вироблятиме таку велику кількість енергії, видавався гравітаційний колапс, тільки не однієї зорі, а всієї центральної області галактики. Виявлено низку інших схожих «квазизоревих об’єктів», або ж квазарів, зі значними червоними зсувами. Проте всі вони занадто далеко і через це за ними надто важко спостерігати, щоб забезпечити переконливі докази існування чорних дір. Ще один аргумент на користь існування чорних дір з’явився 1967 року, коли кембридзька аспірантка Джоселін Бел-Бернел виявила в небі об’єкти, що випромінювали регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Бел та її науковий керівник Ентоні Г’юїш подумали, що вони, можливо, сконтактувалися з позаземною цивілізацією в Галактиці! Справді, я пам’ятаю, на семінарі, на якому оголосили про своє відкриття, вони назвали перші чотири виявлені джерела LGM 1–4 (абревіятура LGM означає «Little Green Men» — «Маленькі Зелені Чоловічки»). Однак згодом і першовідкривачі, і всі решта дійшли менш романтичного висновку, що ці об’єкти — яким дали назву «пульсари» — це насправді обертні нейтронні зорі, що випромінювали імпульси радіохвиль через складну взаємодію між їхніми магнетними полями та навколишньою матерією. Це була погана новина для авторів космічних вестернів, але дуже обнадійлива для вузького кола тих, хто тоді вірив в існування чорних дір: це був перший безсумнівний доказ того, що нейтронні зорі існують. Нейтронна зоря має радіус близько десяти миль — тільки в кілька разів більший за критичний радіус, при якому зоря перетворюється на чорну діру. Якщо зоря може стягнутися до такого малого розміру, то цілком можна припустити, що й інші зорі здатні стягнутися до ще меншого розміру і стати чорними дірами. Як ми можемо сподіватися виявити чорну діру, що за означенням не випромінює світла? Це видається трохи схожим на те, як шукати чорну кішку в темній кімнаті. На щастя, є спосіб. Як зазначив Джон Мічел у своїй піонерській праці 1783 року, чорна діра все ж впливає гравітаційно на поблизькі об’єкти. Астрономи виявили чимало систем, де дві зорі обертаються одна навколо одної, притягувані силою тяжіння. Крім того, вони виявили системи тільки з однією видною зорею, що обертається довкола якогось невидного компаньйона. Однак не можна відразу ж зробити висновок, що цей компаньйон — чорна діра: можливо, це всього лиш занадто слабка зоря, якої не видно. Утім деякі з цих систем, зокрема Лебідь X-1 (рис. 6.2), до того ж потужні джерела Рентґенового проміння. Найкраще пояснення цього явища таке: з поверхні видної зорі зносилась речовина. Падаючи на невидного компаньйона, вона рухається по спіралі (немов вода, що витікає з ванни), дуже нагрівається, випромінюючи Рентґенове проміння (рис. 6.3). Такий варіянт розвитку подій потребує, щоб невидний об’єкт був крихітний, як білий карлик, нейтронна зоря або чорна діра. Найменшу можливу масу невидного об’єкта можна визначити зі спостережуваної орбіти видної зорі. У разі Лебедя X-l вона приблизно в шість разів перевищує масу Сонця, а згідно з обчисленнями Чандрасекара, це надто багато для невидного об’єкта, щоб він був білим карликом. Окрім того, це занадто велика маса для нейтронної зорі. Отож, видається, що це має бути чорна діра. Рис. 6.2. Яскравіша з двох зір поблизу центра світлини — Лебідь Х-1, що, як вважають, складається з чорної діри і звичайної зорі, які обертаються одна навколо одної.  

Існують інші моделі, щоб пояснити систему Лебедя X-1, що не містять чорної діри, але всі вони досить надумані. Чорна діра — ось, видається, єдине справді природне пояснення цих спостережень. Попри це, я таки заклався з Кіпом Торном із Каліфорнійського технологічного інституту, що насправді Лебідь X-1 не містить чорної діри! Так я застрахувався. Адже я присвятив багато зусиль чорним дірам — і все буде марно, якщо виявиться, що чорних дір не існує. Але в такому разі я виграю заклад і втішуся — адже чотири роки отримуватиму журнал «Приватний детектив» (Private Eye). Насправді, хоч ситуація з Лебедем X-1 практично не змінилася, відколи ми 1975 року заклалися, однак тепер є стільки даних спостережень на користь чорних дір, що я визнав свою поразку. І заплатив передбачений штраф — передплатив Кіпові на рік журнал «Пентгауз» (Penthouse) — щоб пообурювалась його емансипована дружина. Ми також тепер маємо докази для низки інших чорних дір у системах на кшталт Лебедя X-1 у нашій Галактиці й у двох сусідніх галактиках — Маґеланових Хмарах. Звісно, що чорних дір майже напевно набагато більше; за довгу історію Всесвіту багато зір мали спалити все своє ядерне паливо та сколапсувати. Кількість чорних дір цілком може бути навіть більша, ніж число видних зір — а їх налічується сотня мільярдів тільки в нашій Галактиці. Така величезна кількість чорних дір створює додаткове гравітаційне притягання — і це може пояснити, чому наша Галактика обертається саме з наявною швидкістю, адже маси видних зір недосить, щоб забезпечити її. Ми маємо також деякі докази, що в центрі нашої Галактики є набагато більша чорна діра, маса якої десь у сотню тисяч разів перевищує масу Сонця. Зорі в Галактиці, що проходять занадто близько від цієї чорної діри, будуть розриватися різницею у гравітаційних силах на їхній прилеглій та відлеглій стороні. Їхні рештки та газ, скинутий іншими зорями, полетять у бік чорної діри. Як і у разі з Лебедем X-l, газ рухатиметься по спіралі та нагріватиметься, хоч і не так сильно. Його температури не вистачить для того, щоб випромінювати Рентґенове проміння, а от щоб стати компактним джерелом радіохвиль та інфрачервоного проміння, що його ми спостерігаємо у центрі галактики, — цілком. Рис. 6.3.  

Вважають, що подібні, тільки ще більші чорні діри, маса яких десь у сотню мільйонів разів перевищує масу Сонця, розташовані в центрах квазарів. Наприклад, спостереження, проведені за допомогою телескопа Габла, галактики, відомої як M87, виявили, що там міститься диск газу розміром 130 світлових років упоперек, який обертається довкола центрального об’єкта, маса якого у два мільярди разів перевищує масу Сонця. Це може бути тільки чорна діра. Єдине джерело, здатне забезпечити величезну кількість енергії, що її випромінюють ці об’єкти, — це матерія, яка падає у надмасивну чорну діру. Коли матерія рухається по спіралі до чорної діри, вона змушує ту обертатися в тому ж напрямі, приводячи до створення магнетного поля на кшталт того, що має Земля. Матерія, що падає, створює поблизу чорної діри дуже високоенергетичні частинки. Магнетне поле буде таке потужне, що воно може сфокусувати ці частинки у струмини, викидувані назовні вздовж осі обертання чорної діри, тобто в напрямах її північного та південного полюсів. Такі струмини справді спостережені в низці галактик і квазарів. Можна також розглянути можливість того, що існують чорні діри, з масою набагато меншою, ніж у Сонця. Такі чорні діри не могли б утворитися шляхом гравітаційного колапсу, адже їхні маси менші за Чандрасекарову границю: зорі з такою малою масою можуть опиратися тяжінню навіть після того, як вичерпають ядерне паливо. Чорні діри з малою масою можуть утворитися, тільки якщо матерія стиснеться до величезних густин під дією дуже великих зовнішніх тисків. Такі умови можуть виникнути у величезній водневій бомбі: фізик Джон Вілер якось вирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх світових океанів, то можна було б створити водневу бомбу, яка так сильно стисне речовину в центрі, що утвориться чорна діра. (Звісно, нікого не залишиться, щоб це побачити!) Практичніша можливість полягає в тому, що такі чорні діри з малою масою утворилися в умовах високих температур і тиску в дуже ранньому Всесвіті. Чорні діри могли з’явитися, тільки якщо ранній Всесвіт не був ідеально гладкий і однорідний, бо тільки невелика щільніша, ніж у середньому, область може бути стиснута так, щоб утворилася чорна діра. Натомість ми знаємо, що тоді існували певні неоднорідності, бо інакше матерія у Всесвіті була б до сучасної епохи розподілена ідеально рівномірно, а не згрупована разом у зорі та галактики. Чи неоднорідності, необхідні, щоб пояснити утворення зір та галактик, привели й до утворення істотного числа «первісних» чорних дір, безумовно, залежить від особливостей умов у ранньому Всесвіті. Тож якби ми змогли визначити, скільки тепер у Всесвіті первісних чорних дір, ми чимало дізналися б про найранніші етапи Всесвіту. Первісні чорні діри, маса яких перевищує мільярд тон (масу великої гори), можна виявити тільки завдяки їхньому гравітаційному впливу на іншу, видну, матерію чи на розширення Всесвіту. Однак у дальшому розділі ми дізнаємося, що чорні діри врешті не зовсім й чорні — вони світяться як гаряче тіло. І що вони менші, то сильніше світяться. Тому, хоч як це парадоксально, менші чорні діри, може статися, легше виявити, ніж великі!  

Розділ 7   ЧОРНІ ДІРИ НЕ ТАКІ ВЖЕ Й ЧОРНІ

1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   18

Схожі:

Рекомендації щодо проведення уроків історії у 6 класі, при відсутності...
Програма інтегрованого курсу «Всесвітня історія. Історія України. 6 клас» розрахована на 70 годин (2 години на тиждень), з яких резерв...

План: Вступ. Коротка історія розвитку селекції. Гібридизація, як...
Основна частина. Основи гібридизації рослин І результати науково-практичних досліджень

Програма на мові Turbo Pascal, лінійні програми
Він складається із трьох частин: 1 частина- коротка історія розвитку еом, система ms dos. Norton Commander, алгоритм, 2 частина-мова...

Уроку Дата Тема уроку
Працювати з підруч­ником: орієнтувати­ся в його структурі, користуватися мето­дичним апаратом тощо; застосовувати поняття «історія»....

Комплексна оцінка використання робочого часу чупир В.Є
Системний та достовірний облік робочого часу створює інформаційну базу для кількісного І якісного аналізу ефективної роботи персоналу...

Підручник, сучасна адміністративно-політична карта
України, портрети українських учених-істориків. Основні поняття І терміни: історія, факт, подія, дослідження історії, іс­торики,...

1. Коротка історія книги Книга одне з найбільших чудес, створеною...
Книга – одне з найбільших чудес, створеною людиною. З тих пір, як люди навчилися писати, свою всю мудрість вони довірили книгам....

Уроки з курсу історії стародавнього світу Урок № Тема: «Вступ. Що...
Мета: Сформувати уявлення учнів про періодизацію історії та відлік часу. З'ясувати особливості епохи стародавнього світу як першого...

Розділ І. Формування оплати праці на підприємстві в умовах ринкової економіки
Коротка характеристика підприємства та аналіз використання трудових ресурсів на підприємстві 14

Правила оформлення статей в збірнику
Анотація: Коротка анотація (обов'язково до кожної статті, шрифт 10,5, вирівнювання по ширині, 3-5 строк) (український текст)



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

l.lekciya.com.ua
Головна сторінка