Наш всесвіт всередині чорної діри. Ми живемо у Чорній Дірі? Як вони виникають

Фізики припускають, що наш Всесвіт існує всередині чорної діри.

Якось ми з вами обговорювали. А тепер ось виявляється з'явилася теорія, згідно з якою стверджується, що наш Всесвіт існує всередині чорної діри

Ця дивна теорія, над якою фізики працюють уже жодне десятиліття, може пролити світло на багато питань, на які не в змозі відповісти знаменита теорія Великого вибуху.

Згідно з теорією Великого вибуху, до того, як Всесвіт почав розширюватися, він перебував у сингулярному стані, тобто в нескінченно малій точці простору містилася нескінченно висока концентрація матерії. Ця теорія дозволяє пояснити, наприклад, чому неймовірно щільна матерія раннього Всесвіту почала розширюватися у просторі з величезною швидкістю і утворила небесні тіла, галактики та скупчення галактик.
Але в той же час вона залишає без відповіді і велику кількість важливих питань. Що спровокувало сам Великий вибух?

Яке джерело таємничої темної матерії?

Теорія про те, що наш Всесвіт знаходиться всередині чорної дірки, може дати відповіді на ці та багато інших питань. До того ж у ній об'єднані принципи двох центральних теорій сучасної фізики: загальної теорії відносності та квантової механіки.

Загальна теорія відносності описує Всесвіт у найбільших масштабах і пояснює, як гравітаційні поля таких масивних об'єктів, як Сонце, викривляють час-простір. А квантова механіка описує Всесвіт у найдрібніших масштабах - лише на рівні атома. Вона, наприклад, враховує таку важливу характеристику частинок як спин (обертання).

Ідея полягає в тому, що спин частки взаємодіє з космічним часом і передає йому властивість, яка називається «торсіон». Щоб зрозуміти, що таке торсіон, уявіть космічний час у вигляді гнучкого лозини. Згинання прута символізуватиме викривлення космічного часу, а скручування – торсіон простору-часу.
Якщо прут дуже тонкий, ви можете його зігнути, але розглянути, чи скручений він, чи ні, буде дуже складно. Торсіон простору-часу може бути помітним лише в екстремальних умовах - на ранніх стадіяхіснування Всесвіту, або в чорних дірах, де він виявлятиметься як сила відштовхування, протилежна гравітаційній силі тяжіння, що виходить від кривизни простору-часу.

Як випливає із загальної теорії відносності, дуже потужні об'єкти закінчують своє існування, звалюючись у чорні дірки - області космосу, від яких не може вислизнути нічого, навіть світло.

На самому початку існування Всесвіту гравітаційне тяжіння, викликане викривленням простору, перевершуватиме силу відштовхування торсіону, завдяки чому матерія стискатиметься. Але потім торсіон стане сильнішим і почне перешкоджати стиску матерії до нескінченної щільності. А оскільки енергія має здатність перетворюватися на масу, то надзвичайно високий рівеньгравітаційної енергії у цьому стані призведе до інтенсивного утворення частинок, через що маса всередині чорної діри наростатиме.

Таким чином, механізм скручування передбачає розвиток разючого сценарію: кожна чорна діра повинна породжувати в собі новий Всесвіт.

Якщо ця теорія вірна, то матерія, з якої складається наш Всесвіт, теж привнесена звідкись ззовні. Тоді наша
Всесвіт теж має бути утворений усередині чорної діри, що існує в іншому Всесвіті, який доводиться нам «батьківському».

Рух матерії при цьому завжди відбувається тільки в одному напрямку, чим забезпечується напрямок часу, який ми сприймаємо як рух уперед. Стрілка часу у нашому Всесвіті, таким чином, теж успадкована з «батьківського» Всесвіту.

Ось тут ми з вами міркували про , а тут розглядали та дізнавалися про Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рфПосилання на статтю, з якою зроблено цю копію -

Знаю, що тут це нібито не вітається, але роблю крос-пост звідси на пряме прохання автора – Горького Миколи Миколайовича. Є певний шанс, що їхня ідея переверне сучасну науку. І краще прочитати про неї в оригіналі, ніж у переказі рен-тв чи ленты.ру.

Для тих, хто не пильнував тему. Розглянемо дві чорних дірки, що обертаються один навколо одного, припустимо, масами 15 і 20 одиниць (мас Сонця). Рано чи пізно вони зіллються в одну чорну дірку, але її маса буде не 35 одиниць, а, скажімо, всього 30. Інші 5 відлетять у вигляді гравітаційних хвиль. Саме цю енергію вловлює гравітаційний телескоп LIGO.

Суть ідеї Горького та Василькова у наступному. Допустимо, ви спостерігач, сидите у своєму кріслі і відчуваєте тяжіння 35 одиниць маси ділити на квадрат відстані. І тут бац – буквально за секунду їхня маса зменшується до 30 одиниць. Для вас, в силу принципу відносності, це буде невідмінним від ситуації, коли вас відкинуло у зворотному напрямку із силою в 5 одиниць, ділити на квадрат відстані. Тобто, не відрізняється від антигравітації.

UPD: т.к. не всі зрозуміли попередній абзац, розглянемо уявний експеримент за аналогією, запропонованою в . Отже, ви - спостерігач, сидите в танку, який обертається дуже високою круговою орбітою навколо центру мас цієї пари ЧД. Як ще казав дідусь Ейнштейн, не виглядаючи з танка, ви ніяк не можете відрізнити рух по орбіті від просто висіння на місці десь у міжгалактичному просторі. Тепер, припустимо, відбулося злиття ЧД, і частина їхньої маси відлетіла. У зв'язку з цим ви повинні перейти на вищу орбіту навколо того ж центру мас, але вже об'єднаної ЧД. І ось цей перехід на іншу орбіту ви у себе в танку відчуєте (дякую ofmetal) зовнішні спостерігачі на нескінченності розцінять як стусан, який штовхнув вас у напрямку від центру мас. /UPD

Далі там йде купа розрахунків з моторошними ТОШ тензорами. Ці розрахунки після ретельної перевірки опубліковані у двох статтях у MNRAS – одному з найавторитетніших журналів з астрофізики у світі. Посилання на статті: (препринт з авторським введенням).

А висновки там такі: ніякого Великого Вибуху не було, зате була (і є) Велика Чорна Діра. Яка нас усіх сховає.

Після виходу двох основних статей з математичними рішеннями, на порядок денний вийшло завдання написання більш популярної та широкої статті, а також пропаганда відродженої космічної космології. І тут виявилося, що дивовижним чином на другу статтю встигли відреагувати європейці, які запросили мене зробити в червні пленарну доповідь на 25 хвилин про прискорення Всесвіту зі змінною масою. Бачу в цьому гарну ознаку: фахівці втомилися від «космологічної темряви» та шукають альтернативу.

Також журналіст Руслан Сафін надіслав питання у зв'язку із виходом другої статті. Дещо скорочену версію відповідей було опубліковано сьогодні в «Південноуральській панорамі» під таким заголовком від редакції «Всередині чорної діри. Астроном Микола Горький знайшов центр Всесвіту».

По-перше, заради істини має наголосити, що саме Олександр Васильков став активно задаватися «наївним» питанням: Чи є у Всесвіту центр? - чим ініціював всю нашу подальшу космологічну роботу. Тож ми шукали і знайшли цей центр разом. По-друге, газета запросила наше спільне фото, але не дочекалася, тож наводжу його тут разом із повним текстом прочитаного Сашком та доповненого за його зауваженнями інтерв'ю. Ось і ми: Олександр Павлович Васильков зліва, а я справа:

1. Після виходу вашої першої з Васильковим статті ви припустили, що прискорене розширення Всесвіту, що спостерігається, пов'язане з переважанням сил відштовхування над силами тяжіння на великих відстанях. У новій статті ви приходите до іншого висновку - щодо відносного прискореного розширення: нам здається, що щось прискорюється, тому що самі ми сповільнюємося. Що привело вас до цієї думки?

У статті 2016 року, що вийшла в журналі Королівського астрономічного товариства, ми з Олександром Васильковим показали, що якщо гравітаційна маса об'єкта змінюється, то, крім звичайного ньютоновського прискорення, навколо нього виникає додаткова сила. Вона падає обернено пропорційно відстані від об'єкта, тобто повільніше, ніж ньютонівська сила, яка залежить від квадрата відстані. Тому нова сила має домінувати на великих дистанціях. При зменшенні маси об'єкта, нова сила давала відштовхування чи антигравітацію, зі збільшенням - виникало додаткове тяжіння, гипергравитация. Це був суворий математичний результат, який модифікував відоме рішення Шварцшильда та виходив у рамках теорії гравітації Ейнштейна. Висновок застосовний для маси будь-якого розміру і зроблений для нерухомого спостерігача.

Але під час обговорення цих результатів, ми словесно висловили додаткові гіпотези – скоріш надії, що знайдена антигравітація відповідає як розліт Всесвіту, і прискорення її розширення у власних очах супутніх спостерігачів, тобто нас із вами. Під час роботи над другою статтею, яка вийшла в лютому цього року в тому ж журналі, і була вже безпосередньо присвячена космології, ми виявили, що реальність складніша за наші надії. Так, знайдена антигравітація відповідає за Великий Вибух та очевидне розширення Всесвіту – тут ми мали рацію у своїх припущеннях. Але ледве помітне прискорення космологічного розширення, виявлене спостерігачами у 1998 році, пов'язане не з антигравітацією, а з гіпергравітацією з нашої роботи 2016 року. Отримане суворе математичне рішення однозначно вказує, що це прискорення матиме знак, що спостерігається тільки тоді, коли якась частина маси Всесвіту зростає, а не зменшується. У своїх якісних міркуваннях ми не врахували, що динаміка космологічного розширення виглядає дуже по-різному з точки зору нерухомого спостерігача і для супутніх спостерігачів, що сидять у галактиках, що розлітаються.

Математика, яка розумніша за нас, призводить до наступної картини еволюції Всесвіту: через злиття чорних дірок і переходу їх маси в гравітаційні хвилі, маса колапсуючого Всесвіту минулого циклу різко зменшилася - і виникла сильна антигравітація, що викликала Великий Вибух, тобто сучасне розширення Всесвіту. Ця антигравітація потім зменшилася і змінилася гіпергравітацією через зростання величезної чорної діри, що виникла у центрі Всесвіту. Вона збільшується через поглинання фонових гравітаційних хвиль, які відіграють у динаміці космосу. Саме це зростання Великої Чорної Діри викликало розтягнення спостерігається навколо нас частини Всесвіту. Цей ефект був інтерпретований спостерігачами як прискорення розширення, але насправді це нерівномірне гальмування розльоту. Адже якщо в колоні автомобілів задня машина відстає від передньої, це може означати як прискорення першої машини, так і гальмування задньої. З математичної точки зору, вплив Великої Чорної Діри, що росте, викликає появу в рівняннях Фрідмана так званої «космологічної постійної», що відповідає за прискорення розбігання галактик, що спостерігається. Розрахунки квантових теоретиків розходилися зі спостереженнями на 120 порядків, ми ж вирахували їх у рамках класичної теорії гравітації – і вона добре збіглася з даними супутника «Планк». А висновок, що маса Всесвіту зараз зростає, дає чудову можливість побудувати циклічну модель Всесвіту, про яку мріяли кілька поколінь космологів, але вона ніяк не давалася до рук. Всесвіт – це величезний маятник, у якому чорні дірки перетворюються на гравітаційні хвилі, а потім йде зворотний процес. Тут ключову роль грає ейнштейнівський висновок, що гравітаційні хвилі не мають гравітаційної маси, що дозволяє Всесвіту змінювати свою масу та уникати незворотного колапсу.

2. Як з'явилася Велика Чорна Діра, що зростає, яка відповідальна за відносне прискорене розширення Всесвіту?

Природа темна матерії, яка, наприклад, викликала прискорене обертання галактик, майже століття була загадкою. Останні результати обсерваторії ЛІГО, яка спіймала кілька гравітаційних хвиль від масивних чорних дір, що зливаються, відкрили завісу таємниці. Ряд дослідників висунули модель, за якою темна матерія складається з чорних дірок, при цьому багато хто вважає, що вони потрапили до нас із минулого циклу Всесвіту. Дійсно, чорна діра – єдиний макроскопічний об'єкт, який неможливо знищити навіть стисненням Всесвіту. Якщо чорні дірки становлять основну частину баріонної маси космосу, то при стисканні Всесвіту до розміру в кілька світлових років, ці чорні дірки будуть активно зливатись один з одним, скидаючи значну частку своєї маси в гравітаційні хвилі. В результаті загальна маса Всесвіту різко впаде, а на місці злиття хмари дрібних дірокзалишиться величезна чорна дірка розміром порядку світлового року та з масою в трильйони мас Сонця. Вона - неодмінний результат колапсу Всесвіту та злиття чорних дірок, а після Великого Вибуху він починає зростати, поглинаючи гравітаційне випромінювання та будь-яку матерію навколо. Що така супердира виникне на стадії колапсу Всесвіту, розуміли багато авторів, включаючи Пенроуза, але ніхто не знав, наскільки важливу роль у динаміці подальшого розширення Всесвіту грає ця Велика Чорна Діра.

3. Як далеко від нас і де саме (у якій частині неба) вона знаходиться? Які її параметри?

Ми вважаємо, що на відстані близько п'ятдесяти мільярдів світлових років. Ціла серія незалежних досліджень говорить про анізотропію різних космологічних явищ - і багато з них вказують на область неба біля тьмяного сузір'я Секстант. У космології навіть виник термін «диявольська вісь». За сучасною величиною прискореного розширення Всесвіту, можна оцінити розмір Великої Чорної Діри в мільярд світлових років, що дає її масу в 6 * 10 ^ 54 грам або мільярди трильйонів сонячних мас - тобто, вона виросла в мільярд разів з моменту свого виникнення! Але й цю інформацію про масу Великої Чорної Діри ми отримали із запізненням на мільярди років. Насправді Велика Чорна Діра вже значно більше, але наскільки - сказати важко, потрібні додаткові дослідження.

4. Чи можна з такої відстані, на якій розташовується ця БЧД, за допомогою існуючих інструментів побачити якщо не її саму, то хоча б непрямі ознаки, що вказують на її присутність у цій частині Всесвіту? За яких умов вона стане доступною для безпосереднього вивчення?

Вивчивши прискорення розширення Всесвіту і як воно залежить від часу, ми визначимо еволюцію параметрів Великої Чорної Діри. Анізотропія космологічних ефектів проявляється у розподілі небом флуктуацій реліктового випромінювання, в орієнтації осей галактик та інших феноменів. Це також способи вивчення Великої Чорної Діри на відстані. Безпосередньо ми її також вивчимо, але пізніше.

5. Що ми побачили, якби могли злітати до цієї БЧД? Чи можна в неї пірнути без ризику для життя? Що ми знайдемо під поверхнею?

Щодо внутрішнього простору чорних дірок навіть у підручниках наводиться маса суперечливої ​​інформації. Багато хто думає, що на межі чорних дірок усіх нас неодмінно розірве приливними силами на дрібні стрічки – виникло навіть слово «спагеттифікування». Насправді приливні сили на краю дуже великої чорної діри абсолютно непомітні, а згідно з суворими рішеннями ейнштейнівських рівнянь, для спостерігача, що падає, процес перетину кордону чорної діри нічим не примітний. Я вважаю, що під поверхнею Великої Чорної Діри ми побачимо практично такий же Всесвіт – ті галактики, які пірнули в неї раніше. Головною відмінністю буде зміна розбігання галактик з їхньої зближення: все дослідники згодні про те, що всередині чорної дірки все падає до центру.

6. Якщо ця чорна дірка росте, то одного разу вона засмоктає в себе всю решту матерію. Що станеться тоді?

Кордон Великої Чорної Діри піде на кордон Всесвіту, і його доля перестане нас хвилювати. А Всесвіт усередині дірки вступить у другу фазу свого циклу – коли розширення змінюється стисненням. У цьому немає нічого трагічного, тому що на стиск піде приблизно ті самі багато мільярдів років, які знадобилися для розширення. Розумні істоти даного циклу Всесвіту відчують проблеми через десятки мільярдів років, коли температура реліктового випромінювання зросте настільки, що планети будуть перегріватись через тепле нічне небо. Може, для якихось інопланетян, у кого сонце гаснутиме, це стане, навпаки, порятунком, хай і тимчасовим – на сотню мільйонів років. Коли нинішній Всесвіт стиснеться до розміру в кілька світлових років, то він знову скине свою масу, що викличе Великий Вибух. Почнеться новий цикл розширення, а в центрі Всесвіту з'явиться свіженька Велика Чорна Діра.

7. Коли ця подія (звалювання Всесвіту в БЧД), на вашу думку, має відбутися? Чи цей тимчасовий інтервал є незмінним для всіх циклів розширення/стиснення чи може змінюватися?

Думаю, що космологічні цикли з хорошою точністю дотримуються певного періоду, пов'язаного із загальною масою та енергією Всесвіту. Важко сказати, на якій точно стадії свого циклу ми знаходимося – для цього потрібно будувати конкретні космологічні моделі із заданою кількістю баріонів, чорних дірок, гравітаційних хвиль та інших видів випромінювання. Коли нас наздожене межа Великої Чорної Діри, що росте? Розрахунки показують, що вона неодмінно вийде на надсвітловий режим розширення - це не порушує теорію відносності, тому що межа чорної дірки не є матеріальним об'єктом. Але ця надсвітлова швидкість означає, що наша зустріч з цією межею Великої Чорної Діри може відбутися будь-якої миті – ми не зможемо засікти її наближення за якимись спостереженнями, які обмежені швидкістю світла. Щоб уникнути паніки, повторюю: нічого трагічного в цьому я не бачу, але космологи почнуть помічати, як червоне зміщення далеких галактик змінюватиметься на синє. Але для цього світло від них має встигнути до нас дійти.

8. Які спостережні та теоретичні дані говорять на користь запропонованої вами космологічної моделі чи, можливо, роблять її обов'язковою?

Класичні рівняння Фрідмана ґрунтуються на принципі ізотропності та однорідності. Таким чином, звичайна космологія в принципі не могла розглядати ефекти анізотропії, про які говорять багато спостерігачів. Модифіковані рівняння Фрідмана, отримані у нашій із Васильковим статті 2018 року, включають анізотропні ефекти – адже Велика Чорна Діра розташована у певному напрямку. Тим самим відкриваються можливості вивчення цих ефектів, що підтвердить і самої теорії. Ми не будували нову космологію, ми просто вставляємо недостатні динамічні пружини в добре розроблену класичну космологію, яка виникла в середині 20 століття, починаючи з робіт Гамова та його групи. Ми відроджуємо цю класичну космологію, роблячи її частиною звичайної фізики. Зараз вона не містить жодних припущень про квантову гравітацію, про зайві просторові виміри та про темні сутності на кшталт «інфляції», «вакуумних фазових переходів», «темної енергії» та «темної матерії». Вона працює тільки в рамках класичної та добре перевіреної теорії гравітації Ейнштейна, використовуючи лише відомі компоненти космосу на кшталт чорних дірок та гравітаційних хвиль. Оскільки вона добре пояснює явища, що спостерігаються, то це робить її абсолютно обов'язковою – згідно з принципами науки. Космологічних моделей багато, а реальність одна. Відроджена класична космологія напрочуд елегантна і проста, тому я вважаю, що ми дізналися істинний спосіб існування Всесвіту.

Реферат на тему:

"Чорні діри Всесвіту"

Владивосток

2000
Зміст:

Чорні дірки всесвіту_____________________________3

Гіпотези та парадокси______________________________6

Заключение_______________________________________14

Список використаної литературы_________________15

Чорні дірки всесвіту

У цьому явищі, здавалося, міститься стільки незрозумілого, майже містичного, що навіть Альберт Ейнштейн, чиї теорії, по суті справи, породили уявлення про чорні діри, сам просто не вірив у їхнє існування. Сьогодні астрофізики все більше переконуються, що чорні дірки – це реальність.

Математичні розрахунки показують – невидимі гіганти є. Чотири роки тому група американських і японських астрономів направила свій телескоп на сузір'я Гончих Псів, на спіральну туманність М106, що знаходиться там. Ця галактика віддалена від нас на 20 мільйонів світлових років, але її можна побачити навіть за допомогою аматорського телескопа. Багато хто вважав, що вона така сама, як і тисячі інших галактик. При уважному вивченні виявилося, що туманність М106 має одну рідкісну особливість - у її центральній частині існує природний квантовий генератор - мазер. Це газові хмари, в яких молекули завдяки зовнішньому накачування випромінюють радіохвилі в мікрохвильовій області. Мазер допомагає точно визначити своє місце розташування та швидкість хмари, а в результаті – і інших небесних тіл.

Японський астроном Макото Міоніс та його колеги під час спостережень туманності М106 виявили дивну поведінку її космічного мазера. Виявилося, що хмари обертаються навколо якогось центру віддаленого від них на 0,5 світлового року. Особливо зацікавила астрономів особливість цього обертання: периферійні шари хмар переміщалися на чотири мільйони кілометрів на годину! Це свідчить, що у центрі зосереджена гігантська маса. За розрахунками вона дорівнює 36 мільйонам сонячних мас.

М106 – не єдина галактика, де підозрюється чорна діра. У туманності Андромеди, найімовірніше, теж є і приблизно така сама по масі - 37 мільйонів Сонців. Передбачається, що і в галактиці М87 - надзвичайно інтенсивному джерелі радіовипромінювання - виявлено чорну дірку, в якій зосереджено 2 мільярди мас Сонця! Рис. 1 Галактика М87

Лише вісник радіохвиль може бути чорною діркою, ще не повністю закритою "капсулою" викривленого простору. Радянський фізикЯків Зельдович та його американський колега Едвін Солпітер повідомили про розроблену ними модель. Модель показала: чорна діра притягує газ із навколишнього простору, і спочатку він збирається у диск біля неї. Від зіткнень частинок газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починає по спіралі наближатися до чорної дірки. Газ, нагрітий до кількох мільйонів градусів, утворює вихор, що має форму вирви. Його частки мчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою, вихор газу доходить до «горизонту подій» і надовго зникає в чорній дірі.

Мазер у галактиці М106, про який йшлося на самому початку, знаходиться у газовому диску. Чорні дірки, що виникають у Всесвіті, судячи з того, що спостерігали американські та японські астрономи в спіральній туманності М106, мають незрівнянно більшу масу, ніж ті, про які говорить теорія Оппенгеймера. Він розглянув випадок колапсу однієї зірки, маса якої трохи більше трьох сонячних. А як утворюються такі гіганти, які астрономи вже спостерігають, пояснень поки що немає.

Останні комп'ютерні моделі показали, що газова хмара, що знаходиться в центрі галактики, що народжується, може породити величезну чорну діру. Але можливий і інший шлях розвитку: скупчення газу спочатку розпадається на безліч дрібніших хмар, які дадуть життя великому числу зірок. Однак і в тому, і в іншому випадку частина космічного газу під дією власної гравітації, зрештою, закінчить свою еволюцію у вигляді чорної дірки.

За цією гіпотезою чорна діра є майже в кожній галактиці, в тому числі й у нашій, десь у центрі Чумацького Шляху.

Спостереження так званих систем подвійних зірок, коли в телескоп видно лише одну зірку, дають підстави вважати, що невидимий партнер - чорна діра. Зірки цієї пари розташовані так близько одна до одної, що невидима маса «висмоктує» речовину видимої зірки та поглинає її. У деяких випадках вдається визначити час обороту зірки навколо її невидимого партнера та відстань до невидимки, що дозволяє розрахувати приховану від спостереження масу.

Перший кандидат на таку модель – пара, виявлена ​​на початку 70-х років. Вона знаходиться в сузір'ї Лебедя (позначена індексом Cygnus XI) і випускає рентгенівське проміння. Тут обертаються гаряча блакитна зірка і, ймовірно, чорна діра з масою, що дорівнює 16 мас Сонця. Інша пара (V404) має невидиму масу 12 Рис. 2 Cygnus XIсонячних. Ще одна підозрювана пара - рентгенівське джерело (LMCX3) у дев'ять сонячних мас знаходиться у Великій Магеллановій Хмарі.

Всі ці випадки добре пояснюються в міркуваннях Джона Мішелла про темні зірки. У 1783 році він писав: «Якщо ті, що світяться, обертаються навколо невидимого чогось, то ми повинні бути в змозі з руху цього тіла, що обертається, з відомою ймовірністю зробити висновок про існування цього центрального тіла».

Гіпотези та парадокси

Загальна теорія відносності, як відомо, передбачила, що маса викривляє простір. І вже за чотири роки після опублікування роботи Ейнштейна цей ефект було виявлено астрономами. За повного сонячного затемнення, проводячи спостереження з телескопом, астрономи бачили зірки, які насправді були заслонені краєм чорного місячного диска, що покрив Сонце. Під впливом сонячної гравітації зображення зірок змістилися. (Тут вражає ще й точність виміру, тому що змістилися вони менше, ніж на одну тисячну градуса!)

Астрономи тепер точно знають, що під впливом «лінзи тяжіння», яку є важкими зірками і, насамперед чорні дірки, реальні позиції багатьох небесних тіл насправді відрізняються від тих, що нам бачаться з Землі. Далекі галактики можуть бути для нас безформними і у вигляді «капсули». Це означає: тяжіння настільки велике і простір закручено, що світло проходить по колу. Воістину там можна побачити те, що відбувається за рогом.

Уявімо неймовірне: якийсь відважний космонавт вирішив направити свій корабель до чорної діри, щоб пізнати її таємниці. Що він побачить у цій фантастичній подорожі?

У міру наближення до мети годинник на космічному кораблівсе більше і більше відставатимуть - це випливає з теорії відносності. На підльоті до мети наш мандрівник опиниться ніби в трубі, що кільцем оточує чорну дірку, але йому здаватиметься, що він летить по прямому тунелю, а зовсім не по колу. Але на космонавта чекає ще дивовижніше явище: потрапивши за «горизонт подій» і рухаючись трубою, він бачитиме свою спину, свою потилицю...

Загальна теорія відносності каже, що поняття «зовні» та «всередині» не мають об'єктивного сенсу, вони відносні також як вказівки «ліворуч» або «направо», «вгору» або «вниз». Вся ця парадоксальна плутанина з напрямками дуже погано узгоджується з нашими повсякденними оцінками.

Як тільки корабель перетне кордон чорної діри, люди на Землі вже не зможуть нічого побачити з того, що там відбуватиметься. А на кораблі зупиняться годинники, всі фарби будуть змішані у бік червоного кольору: світло втратить частину енергії у боротьбі з гравітацією. Всі предмети набудуть дивних спотворених обрисів. І, нарешті, навіть якщо ця чорна діра буде вдвічі важчою за наше Сонце, тяжіння стане таким сильним, що і корабель, і його гіпотетичний капітан будуть витягнуті в шнурок і незабаром розірвані. Матерія, що потрапила всередину чорної дірки, не зможе протистояти силам, які тягнуть її до центру. Ймовірно, матерія розпадеться і перейде у сингулярний стан. Згідно з деякими уявленнями, ця матерія, що розпалася, стане частиною якогось іншого Всесвіту - чорні діри пов'язують наш космос з іншими світами.

Як і всі тіла в природі, зірки не залишаються незмінними, вони народжуються, еволюціонують і нарешті "вмирають". Щоб простежити життєвий шлях зірок і зрозуміти, як вони старіють, потрібно знати, як вони з'являються. У минулому це здавалося великою загадкою; сучасні астрономи вже можуть з великою впевненістю докладно описати шляхи, що ведуть до появи яскравих зірок на нашому нічному небосхилі.

Нещодавно астрономи вважали, що на утворення зірки з міжзоряних газу та пилу потрібні мільйони років. Але в Останніми рокамибули отримані разючі фотографії області неба, що входить до складу Великої Туманності Оріону, де протягом кількох років з'явилося невелике скупчення зірок. на Рис.3 Велика Туманність Оріонузнімках 1947р. у цьому місці було видно групу з трьох зіркоподібних об'єктів. До 1954р. деякі з них стали довгастими, а до 1959р. ці довгасті освіти розпалися на окремі зірки - вперше в історії людства люди спостерігали народження зірок буквально на очах цей безпрецедентний випадок показав астрономам, що зірки можуть народжуватися за короткий інтервал часу, і раніше дивні міркування, що здавалися про те, що зірки зазвичай виникають у групах, або зоряні скупчення, виявилися справедливими.

С. ТРАНКІВСЬКИЙ

Серед найбільш важливих та цікавих проблем сучасної фізики та астрофізики академік В. Л. Гінзбург назвав питання, пов'язані з чорними дірками (див. "Наука і життя" № 11, 12, 1999). Існування цих дивних об'єктів було передбачено понад двісті років тому, умови, що призводять до їх утворення, точно розрахували наприкінці 30-х років XX століття, а впритул астрофізика зайнялася ними менше сорока років тому. Сьогодні наукові журнали світу щорічно публікують тисячі статей, присвячених чорним діркам.

Утворення чорної дірки може відбуватися трьома шляхами.

Так прийнято зображати процеси, що йдуть на околицях колапсуючої чорної діри. З часом (Y) простір (X) навколо неї (зафарбована область) стискається, прямуючи до сингулярності.

Гравітаційне поле чорної діри вносить сильні спотворення геометрію простору.

Чорна діра, невидима в телескоп, виявляє себе лише за своїм гравітаційним впливом.

У потужному полі тяжіння чорної дірки відбувається народження пар-частинка.

Народження пари частка-античастка в лабораторії.

ЯК ВОНИ ВИНИКАЮТЬ

Небесне тіло, що світиться, має щільність, що дорівнює щільності Землі, і діаметром, що в двісті п'ятдесят разів перевершує діаметр Сонця, через силу свого тяжіння не дасть своєму світлу досягти нас. Таким чином, можливо, що найбільші тіла, що світяться у Всесвіті, саме через свою величину залишаються невидимими.
П'єр Симон Лаплас.
Виклад системи світу. 1796 рік.

У 1783 році англійський математик Джон Мітчел, а через тринадцять років незалежно від нього французький астроном та математик П'єр Сімон Лаплас провели дуже дивне дослідження. Вони розглянули умови, за яких світло не зможе покинути зірку.

Логіка вчених була простою. Для будь-якого астрономічного об'єкта (планети чи зірки) можна обчислити так звану швидкість тікання, або другу космічну швидкість, що дозволяє будь-якому тілу чи частинці назавжди залишити його. На фізиці того часу безроздільно панувала ньютонівська теорія, за якою світло - це потік частинок (до теорії електромагнітних хвильі квантів залишалося ще майже півтораста років). Швидкість тікання частинок можна розрахувати виходячи з рівності потенційної енергії на поверхні планети і кінетичної енергії тіла, що "втік" на нескінченно велику відстань. Ця швидкість визначається формулою # 1 #

де M- Маса космічного об'єкта, R- Його радіус, G- гравітаційна стала.

Звідси легко виходить радіус тіла заданої маси (що пізніше отримав назву "гравітаційний радіус r g "), при якому швидкість втікання дорівнює швидкості світла:

Це означає, що зірка, стиснута у сферу радіусом r g< 2GM/c 2, перестане випромінювати - світло залишити її не зможе. У Всесвіті з'явиться темна діра.

Нескладно розрахувати, що Сонце (його маса 2. 1033 г) перетвориться на чорну дірку, якщо стиснеться до радіусу приблизно 3 кілометри. Щільність його речовини при цьому досягне 1016 г/см 3 . Радіус Землі, стиснутої до стану чорної дірки, зменшився приблизно до одного сантиметра.

Здавалося неймовірним, що у природі можуть знайтися сили, здатні стиснути зірку до таких незначних розмірів. Тому висновки з робіт Мітчела і Лапласа понад сто років вважалися чимось на зразок математичного парадоксу, який не має фізичного сенсу.

Суворий математичний доказ того, що подібний екзотичний об'єкт у космосі можливий, було отримано лише 1916 року. Німецький астроном Карл Шварц-Шільд, провівши аналіз рівнянь загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, отримав цікавий результат. Дослідивши рух частинки в гравітаційному полі масивного тіла, він дійшов висновку: рівняння втрачає фізичний зміст (його рішення звертається до нескінченності) при r= 0 і r = r g.

Точки, в яких характеристики поля втрачають сенс, називаються сингулярними, тобто особливими. Сингулярність у нульовій точці відображає точкову, або, що те саме, центрально-симетричну структуру поля (адже будь-яке сферичне тіло - зірку чи планету - можна уявити як матеріальну точку). А точки, розташовані на сферичній поверхні радіусом r g , утворюють ту саму поверхню, з якою швидкість втікання дорівнює швидкості світла. У загальній теорії відносності вона називається сингулярною сферою Шварц-Шільд або горизонтом подій (чому - стане зрозуміло надалі).

Вже на прикладі знайомих нам об'єктів – Землі та Сонця – ясно, що чорні дірки є дуже дивними об'єктами. Навіть астрономи, які мають справу з речовиною при екстремальних значеннях температури, щільності та тиску, вважають їх дуже екзотичними, і до останнього часу далеко не всі вірили в їхнє існування. Однак перші вказівки на можливість утворення чорних дірок містилися вже в загальній теорії відносності А. Ейнштейна, створеної в 1915 році. Англійський астроном Артур Еддінгтон, один із перших інтерпретаторів та популяризаторів теорії відносності, у 30-х роках вивів систему рівнянь, що описують внутрішню будову зірок. З них випливає, що зірка знаходиться в рівновазі під дією протилежно спрямованих сил тяжіння і внутрішнього тиску, створюваного рухом частинок гарячої плазми всередині світила і напором випромінювання, що утворюється в його надрах. А це означає, що зірка є газовою кулею, в центрі якої висока температура, що поступово знижується до периферії. З рівнянь, зокрема, випливало, що температура поверхні Сонця становить близько 5500 градусів (що цілком відповідало даним астрономічних вимірів), а в його центрі має бути близько 10 мільйонів градусів. Це дозволило Еддінгтону зробити пророчий висновок: за такої температури "запалюється" термоядерна реакція, достатня для забезпечення свічення Сонця. Фізики-атомники того часу із цим не погоджувалися. Їм здавалося, що в надрах зірки занадто холодно: температура там недостатня, щоб реакція пішла. На це розлютований теоретик відповідав: "Пошукайте містечко гарячіше!".

І зрештою він мав рацію: у центрі зірки дійсно йде термоядерна реакція (інша справа, що так звана "стандартна сонячна модель", заснована на уявленнях про термоядерний синтез, мабуть, виявилася невірною - див., наприклад, "Наука та життя" №№ 2, 3, 2000 р.). Проте реакція в центрі зірки проходить, зірка світить, а випромінювання, яке при цьому виникає, утримує її в стабільному стані. Але ядерне "паливо" в зірці вигоряє. Виділення енергії припиняється, випромінювання гасне, і сила, яка стримує гравітаційне тяжіння, зникає. Існує обмеження на масу зірки, після якого зірка починає незворотно стискатися. Розрахунки показують, що це відбувається, якщо маса зірки перевищує дві-три маси Сонця.

ГРАВІТАЦІЙНИЙ КОЛАПС

Спочатку швидкість стиснення зірки невелика, та її темп безперервно зростає, оскільки сила тяжіння обернено пропорційна квадрату відстані. Стиснення стає незворотнім, сил, здатних протидіяти самогравітації, немає. Такий процес називається гравітаційним колапсом. Швидкість руху оболонки зірки до її центру зростає, наближаючись до швидкості світла. І тут починають грати роль ефекти теорії відносності.

Швидкість тікання була розрахована виходячи з ньютонівських уявлень про природу світла. З точки зору загальної теорії відносності явища в околицях зірки, що колапсує, відбуваються дещо по-іншому. У її потужному полі тяжіння виникає так зване гравітаційне червоне усунення. Це означає, що частота випромінювання, що виходить від масивного об'єкта, зміщується убік низьких частот. У межі, межі сфери Шварцшильда, частота випромінювання стає дорівнює нулю. Тобто спостерігач, який за її межами, нічого не зможе дізнатися про те, що відбувається всередині. Саме тому сферу Шварцшильда називають горизонтом подій.

Але зменшення частоти рівнозначне уповільнення часу, і, коли частота дорівнюватиме нулю, час зупиняється. Це означає, що сторонній спостерігач побачить дуже дивну картину: оболонка зірки, що падає з прискоренням, що наростає, замість того, щоб досягти швидкості світла, зупиняється. З його точки зору, стиснення припиниться, як тільки розміри зірки наблизяться до гравітаційної ради.
усу. Він ніколи не побачить, щоб хоч одна частка "пірнула" під сферу Шварцшиль так. Але для гіпотетичного спостерігача, що падає на чорну дірку, все закінчиться в лічені миті по його годиннику. Так, час гравітаційного колапсу зірки розміром із Сонце становитиме 29 хвилин, а набагато щільнішої та компактнішої нейтронної зірки – лише 1/20 000 секунди. І тут його чатує на неприємність, пов'язану з геометрією простору-часу поблизу чорної діри.

Спостерігач потрапляє у викривлений простір. Поблизу гравітаційного радіусу сили тяжіння стають нескінченно більшими; вони розтягують ракету з космонавтом-спостерігачем у нескінченно тонку нитку нескінченної довжини. Але сам він цього не помітить: всі його деформації відповідатимуть спотворенням просторово-часових координат. Ці міркування, звичайно, відносяться до ідеального, гіпотетичного випадку. Будь-яке реальне тіло буде розірвано припливними силами задовго до підходу до сфери Шварцшильда.

РОЗМІРИ ЧОРНИХ ДІР

Розмір чорної дірки, а точніше – радіус сфери Шварцшильда пропорційний масі зірки. А оскільки астрофізика ніяких обмежень на розмір зірки не накладає, то і чорна діра може бути як завгодно велика. Якщо вона, наприклад, виникла при колапсі зірки масою 108 мас Сонця (або за рахунок злиття сотень тисяч, а то й мільйонів порівняно невеликих зірок), її радіус буде близько 300 мільйонів кілометрів, удвічі більше земної орбіти. А середня густина речовини такого гіганта близька до густини води.

Очевидно, саме такі чорні дірки перебувають у центрах галактик. У всякому разі, астрономи сьогодні налічують близько п'ятдесяти галактик, у центрі яких, судячи з непрямих ознак (мова про них піде нижче), є чорні дірки масою близько мільярда (10 9) сонячної. У нашій Галактиці теж, певне, є своя чорна діра; її масу вдалося оцінити досить точно - 2,4. 10 6 ±10% маси Сонця.

Теорія передбачає, що з такими надгігантами мали виникати й чорні міні-дірки масою порядку 10 14 р і радіусом близько 10 -12 див (розмір атомного ядра). Вони могли з'являтися в перші миті існування Всесвіту як вияв дуже сильної неоднорідності простору-часу при колосальній щільності енергії. Умови, які були тоді у Всесвіті, дослідники сьогодні реалізують на потужних колайдерах (прискорювачах на зустрічних пучках). Експерименти в ЦЕРНі, проведені на початку цього року, дозволили отримати кварк-глюонну плазму – матерію, яка існувала до виникнення елементарних частинок. Дослідження цього стану речовини продовжуються у Брукхевені – американському прискорювальному центрі. Він здатний розігнати частинки до енергій, на півтора-два порядки вищі, ніж прискорювач у
ЦЕРНЕ. Експеримент, що готується, викликав неабияку тривогу: чи не виникне при його проведенні чорна міні-дірка, яка скривить наш простір і погубить Землю?

Це побоювання викликало настільки сильний резонанс, що уряд США був змушений скликати авторитетну комісію для перевірки такої можливості. Комісія, що складалася з відомих дослідників, дала висновок: енергія прискорювача надто мала, щоб чорна діра могла виникнути (про цей експеримент розказано в журналі "Наука і життя" № 3, 2000).

Як побачити невидиме

Чорні дірки нічого не випромінюють, навіть світло. Однак астрономи навчилися бачити їх, вірніше – знаходити "кандидатів" на цю роль. Є три способи виявити чорну дірку.

1. Необхідно простежити за зверненням зірок у скупченнях навколо якогось центру гравітації. Якщо виявиться, що в цьому центрі нічого немає, і зірки крутяться навколо навколо порожнього місця, можна досить впевнено сказати: у цій "порожнечі" знаходиться чорна діра. Саме за цією ознакою припустили наявність чорної дірки у центрі нашої Галактики та оцінили її масу.

2. Чорна діра активно всмоктує матерію з навколишнього простору. Міжзоряний пил, газ, речовина найближчих зірок падають на неї по спіралі, утворюючи так званий акреційний диск, подібний до кільця Сатурна. (Саме це й лякало в брукхевенському експерименті: чорна міні-дірка, що виникла в прискорювачі, почне всмоктувати в себе Землю, причому процес цей ніякими силами зупинити було б не можна.) Наближаючись до сфери Шварцшильда, частки відчувають прискорення і починають випромінювати в рентгенівському. Це випромінювання має характерний спектр, подібний до добре вивченого випромінювання частинок, прискорених у синхротроні. І якщо з якоїсь області Всесвіту приходить таке випромінювання, можна з упевненістю сказати – там має бути чорна діра.

3. При злитті двох чорних дірок виникає гравітаційне випромінювання. Підраховано, що якщо маса кожної становить близько десяти мас Сонця, то при їх злитті за лічені години у вигляді гравітаційних хвиль виділиться енергія, еквівалентна 1% їхньої сумарної маси. Це в тисячу разів більше за ту світлову, теплову та іншу енергію, яку випромінювало Сонце за весь час свого існування - п'ять мільярдів років. Виявити гравітаційне випромінювання сподіваються за допомогою гравітаційно-хвильових обсерваторій LIGO та інших, які будуються зараз в Америці та Європі за участю російських дослідників (див. "Наука і життя" № 5, 2000).

І все-таки, хоча в астрономів немає жодних сумнівів у існуванні чорних дірок, категорично стверджувати, що в цій точці простору знаходиться саме одна з них, ніхто не береться. Наукова етика, сумлінність дослідника вимагають отримати на поставлене запитання відповідь однозначна, яка не терпить різночитань. Мало оцінити масу невидимого об'єкта, потрібно виміряти його радіус і показати, що він не перевищує шварцшильдівський. А навіть у межах нашої Галактики це завдання поки що не вирішуване. Саме тому вчені виявляють відому стриманість у повідомленнях про їх виявлення, а наукові журнали буквально набиті повідомленнями про теоретичні роботи та спостереження ефектів, здатних пролити світло на їх загадку.

Є, щоправда, у чорних дірок і ще одна властивість, передбачена теоретично, яка, можливо, дозволила б їх побачити. Але, щоправда, за однієї умови: маса чорної дірки має бути набагато меншою від маси Сонця.

ЧОРНА ДІРА МОЖЕ БУТИ І "БІЛИЙ"

Довгий час чорні діри вважалися втіленням темряви, об'єктами, які у вакуумі, без поглинання матерії, нічого не випромінюють. Однак у 1974 році відомий англійський теоретик Стівен Хокінг показав, що чорним діркам можна приписати температуру, і, отже, вони мають випромінювати.

Згідно з уявленнями квантової механіки, вакуум - не порожнеча, а якась "піна простору-часу", мішанина з віртуалних (не спостерігаються в нашому світі) частинок. Однак квантові флуктуації енергії здатні "викинути" з вакууму пару частинок-античастин. Наприклад, при зіткненні двох-трьох гамма-квантів з нічого виникнуть електрон і позитрон. Це та аналогічні явища неодноразово спостерігалися у лабораторіях.

Саме квантові флуктуації визначають процеси випромінювання чорних дірок. Якщо пара частинок, що володіють енергіями Eі -E(Повна енергія пари дорівнює нулю), виникає в околиці сфери Шварцшильда, подальша доля частинок буде різною. Вони можуть анігілювати майже відразу або разом піти під обрій подій. При цьому стан чорної дірки не зміниться. Але якщо під обрій піде лише одна частка, спостерігач зареєструє іншу, і йому здаватиметься, що її породила чорна діра. При цьому чорна діра, що поглинула частинку з енергією -E, зменшить свою енергію, а з енергією E- Збільшить.

Хокінг підрахував швидкості, з якими йдуть усі ці процеси, і дійшов висновку: ймовірність поглинання частинок з негативною енергією вища. Це означає, що чорна діра втрачає енергію та масу – випаровується. Крім того, вона випромінює як абсолютно чорне тіло з температурою T = 6 . 10 -8 Mз/ Mкельвінів, де Mс - маса Сонця (2 . 10 33 г), M- Маса чорної дірки. Ця нескладна залежність показує, що температура чорної дірки з масою, що у шість разів перевищує сонячну, дорівнює одній стомільйонній частці градуса. Зрозуміло, що таке холодне тіло практично нічого не випромінює, і всі наведені вище міркування залишаються в силі. Інша справа – міні-дірки. Легко побачити, що при масі 1014-1030 грамів вони виявляються нагрітими до десятків тисяч градусів і розжарені до білого! Слід, проте, відразу відзначити, що протиріч із властивостями чорних дірок тут немає: це випромінювання випромінюється шаром над сферою Шварцшильда, а чи не під нею.

Отже, чорна діра, яка здавалася навіки застиглим об'єктом, рано чи пізно зникає, випаровуючись. Причому в міру того, як вона "худне", темп випаровування наростає, але все одно йде надзвичайно довго. Підраховано, що міні-дірки масою 10 14 грамів, що виникли відразу після Великого вибуху 10-15 мільярдів років тому, до нашого часу мають повністю випаруватися. на останньому етапіжиття їх температура досягає колосальної величини, тому продуктами випаровування мають бути частки надзвичайно високої енергії. Можливо, саме вони породжують в атмосфері Землі широкі амосферні зливи – шали. У всякому разі, походження частинок аномально високої енергії – ще одна важлива та цікава проблема, яка може бути впритул пов'язана з не менш захоплюючими питаннями фізики чорних дірок.

При аналізі руху частинок, що входять до чорної діри, опублікованому в березні Нікодимом Поплавським з Університету Індіани в Блумінгтоні, було продемонстровано, що всередині кожної чорної діри може існувати інший всесвіт. "Можливо, величезні чорні дірки в центрі Чумацького шляху та інших галактик є "мостами" між різними всесвітами", каже Поплавський. Якщо це вірно, і це велике "якщо", ніщо не виключає того, що наш всесвіт також знаходиться всередині чорної дірки.

У загальній теорії відносності Ейнштейна (ОТО), нутрощі чорних дірок є регіонами, де щільність речовини досягає нескінченності. Будь сингулярність фактичною точкою нескінченної щільності або просто математичною неоднозначністю ОТО, рівняння Ейнштейна "руйнуються" всередині чорної дірки. У будь-якому випадку модифікована версія рівнянь Ейнштейна, що використовується Поплавським, усуває сингулярність загалом.

Для свого аналізу Поплавський звернувся до варіанта рівнянь Ейнштейна Картана-Кібл-Сціама (ККС) теорії гравітації. На відміну від рівнянь Ейнштейна, ККС теорії гравітації враховує спин, або момент імпульсу елементарних частинок. Завдяки врахуванню спина, стає можливим обчислити геометрію простору-часу чорної дірки.

Коли щільність речовини досягає гігантських розмірів (більше, ніж 1050 кілограм на кубічний метр) усередині чорної діри, кручення проявляється як сила, еквівалентна тяжінню. Це запобігає питанням про невизначений час стиснення для досягнення нескінченної щільності. Натомість, каже Поплавський, матерія реорганізовується і починає розширюватися знову.

Поплавський застосував ці ідеї до моделі поведінки простору-часу всередині чорної дірки. Сценарій нагадує те, що відбувається, коли ви стискаєте пружину: Поплавський підрахував, що спочатку сила тяжіння долає сили відштовхування і крутіння і зберігає стиск матерії, але зрештою сила відштовхування стає настільки сильною, що матерія перестає стискатися і реорганізується. Розрахунки Поплавського показують, що простір-час усередині чорної дірки розширюється приблизно до 1,4 разів порівняно з найменшим розміромвсього за 10-46 секунд.

Цей разюче швидкий відскок назад, каже Поплавський, міг би бути тим, що призвело до Всесвіту, який ми спостерігаємо сьогодні.

Як ми дізнаємося, що живемо всередині чорної дірки? Ну, чорна діра, що обертається, дала б деякий спин у просторі-часі всередині неї, і це мало б відобразитися як "переважний напрям" у нашому Всесвіті, каже Поплавський. Такий кращий напрямок призведе до порушення властивості простору-часу, званого симетрією Лоренца, яке пов'язує простір і час. Було висловлено думку, що такі порушення можуть бути викликані коливаннями нейтрино з одного типу в інший.

На жаль, для нас немає жодного сенсу шукати інші світи всередині чорних дірок. У міру наближення до чорної діри збільшення гравітаційного поля робить час все повільнішим і повільнішим. Таким чином, для зовнішнього спостерігача, будь-який новий всесвіт усередині з'явиться тільки після того, як пройде нескінченна кількість часу.