5 фактів про чорні діри

Про зображення чорної діри, еволюцію зірок і долю людини, яка потрапила в чорну діру.

10 квітня 2019 астрофізики оголосили про те, що вони отримали перше в історії зображення тіні чорної діри, яка знаходиться в центрі галактики М 87 в сузір'ї Діви. На звичайну людину картина справляє сильне враження. Але астрофізики навряд чи були здивовані, тому що ці дані повністю відповідали їхнім уявленням про те, як вона має виглядати. Підтвердилося, що чорна діра - це чорна діра, тобто темний гравітуючий об'єкт.

Що таке чорна діра?

Якщо ви спробуєте створити нейтронну зірку масою, яка в 10 разів більша за масу Сонця, то побачите, що навіть сили ядра не можуть її утримати в стабільному стані. Вона продовжуватиме скорочуватися і в результаті стане тим, що ми називаємо чорною дірою.

Чорна діра - це щось, що колапсувало настільки, що навіть світло не змогло звідти вийти. Вона відокремила себе від решти Всесвіту, залишивши після себе так званий гравітаційний слід у просторі, що залишився поза нею. По суті, це щось на зразок темної ділянки Всесвіту, яка може всмоктати в себе речі, але ніщо не може вийти з неї. І за останні 40 років стало відомо, що ці об'єкти насправді існують.

Виявлення чорних дір

Чорні діри складно виявити, але багато з них були опосередковано відстежені. Перші були знайдені під час спостережень за об'єктами в системах з подвійними зірками, де був маленький об'єкт, що обертається навколо звичайної зірки, і сила його тяжіння перетягувала на себе матерію з поверхні цієї зірки. Незважаючи на те, що чорна діра сама по собі невидима, матерія, яка нею притягується і закручується, подібно до воронки, на шляху в чорну діру, стає дуже гарячою і випускає сильне випромінювання.

«Отже астрономи відстежили об'єкти, які випускали сильне випромінювання, в системах з маленьким об'єктом, що обертається навколо звичайної зірки, і зробили висновок про те, що такий об'єкт може бути чорною дірою. Гази, що втягуються в неї, видавали спорадичне випромінювання, часто не тільки видиме світло, але також рентгенівське випромінювання та гамма-промені. Таким чином, ми знаходимо чорну діру», — каже професор Кембриджського університету, космолог Мартін Ріс.

Чорна діра як остання стадія еволюції масивної зірки

У ході своєї еволюції зірки масою менше десяти мас Сонця перетворюються на білих карликів. З потужними зірками все зовсім по-іншому: у них проходить повний цикл термоядерного синтезу, аж до заліза. Якщо говорити дуже спрощено, на останніх стадіях життя таких великих зірок утворюється «цибулинна структура». У різних шарах відбуваються різні термоядерні реакції, у яких під час руху до центру формуються дедалі важчі елементи.

У особливо масивних зірок можуть утворитися маленькі надщільні ядра з неймовірно високою щільністю та надвисоким тиском. Так народжується нейтронна зірка масою близько однієї-двох мас Сонця за розміром 10–20 кілометрів у діаметрі. Йдемо далі: якщо ядро такої нейтронної зірки перевищує за масою Сонце вдвічі і більше, утворюється чорна діра. Однак варто відзначити, що ця теорія про походження чорних дір не єдина.

Зображення чорної діри?

У центрі практично кожної галактики є чорна діра, маса якої прямо пропорційна масі галактики. Надмасивна чорна діра в M 87 дуже активна та надзвичайно велика: її маса дорівнює приблизно 6 мільярдам сонячних мас, що становить 0,2–0,3% від маси всієї галактики. У квітні 2019 року астрофізики отримали зображення із центру галактики М 87 у сузір'ї Діви, але не самої чорної діри, а її тіні.

Отримати навіть таке зображення надзвичайно складно. Справа в тому, що до скупчення Virgo і галактики М 87 приблизно 16-17 мегапарсек, або близько 50 мільйонів світлових років. Щоб отримати зображення тіні чорної діри з такої відстані, потрібна дуже гарна просторова здатність телескопів. Земні спостереження навіть у дуже хорошому астрокліматі обмежені. Один телескоп обмежений просторовою роздільною здатністю частки кутової секунди.

Щоб побачити тінь чорної діри в галактиці М 87, довелося досягти просторової роздільної здатності 10^-5 кутової секунди. З такою роздільною здатністю можуть спостерігати лише інтерферометри — система з кількох телескопів, рознесених на достатню відстань між собою.

Що буде з людиною у чорній дірі?

Очевидно, до чорної діри ніхто з людей (ще) не потрапляв. Але на підставі відомих астрофізикам фізичних властивостей чорних дір можна зробити припущення.

«На долю об'єкта, що потрапив у чорну діру, впливає багато чинників. У випадку людини це, наприклад, орієнтація її падіння (чи збігається напрямок “ноги - голова” з напрямком до центру), маса чорної діри, орієнтація обертання чорної діри щодо напрямку падіння. Однак головне, чого варто боятися, — приливних сил, тобто високих градієнтів гравітації. Чим більша чорна діра, тим менші припливні сили діють на будь-який об'єкт на межі чорної діри, тобто на горизонті подій», — каже доктор фізико-математичних наук, астрофізик Олександр Шацький.

Приливні сили найчастіше векторні, тобто діють в одному напрямку. Якщо людина летить до центру чорної діри ногами вперед, то її розтягуватиме, ноги поступово відриватимуться від голови приливними силами: вони знаходяться ближче до центру і притягуються до нього сильніше, ніж голова.