Що таке горизонт подій, або як вирватися з чорної діри

Відео: Горизонт Подій, ролик 2016

Вивченням чорних дір всерйоз фізики зайнялися не так давно - хоча сама концепція їх існування з`явилася ще в позаминулому столітті. Але ідея присутності десь в космосі таких об`єктів здавалася настільки фантастичною і недовідної, що практично не розглядалася серйозно. У новому випуску рубрики «Просто про складне» - розповідь про історію відкриття «застиглих зірок» і про те, що відбувається з простором і часом на кордонах чорної діри.

Довга історія невіри

У 1783 році священик з англійського села Торнхилл Джон Мітчелл представив в журнал «Філософські праці Лондонського Королівського товариства» свою статтю. У ній він писав, що досить масивна і компактна зірка матиме настільки сильне гравітаційне поле, що світло не зможе піти від неї далеко - він буде затягнутий назад за рахунок гравітаційного тяжіння. Мітчелл вважав, що таких об`єктів в космосі може бути дуже багато, але побачити їх неможливо - так як їх світло поглинається ними ж. Проте теоретично їх гравітаційне тяжіння можна виявити. Стаття не викликала ажіотажу в науковому співтоваристві і пройшла практично непоміченою.
Через кілька років французький вчений П`єр-Симон Лаплас, незнайомий з роботою Мітчелла, висунув схожу гіпотезу. Він опублікував її в своїй праці «Система світу», проте після другого видання теорія з книги зникла - по всій видимості, Лаплас вирішив, що про таку дурну ідею і говорити не варто.

А ось в XIX столітті вченим вже не могла прийти в голову думка про невидимих зірках. Вся справа в тому, що ньютонівської переконання щодо того, що світло складається з частинок, вийшло з моди. Вчені прийшли до висновку, що концепція, згідно з якою світ - це хвиля, краще описує явища навколишнього світу. Про те, як гравітація діє на хвилі, нічого відомо не було, отже, і міркування про небесні об`єкти, «затягують» власний світ, довелося забути.

Знову згадали про них тільки в XX столітті. У 1916 році, практично відразу після публікації Ейнштейном загальної теорії відносності, Карл Шварцшильда описав «застиглу зірку», як тоді називали такі об`єкти, не розглядаючи процес її зародження, а в 1939 цей елемент, якого бракує в теорію додали Роберт Оппенгеймер і Хартланд Снайдер. І тільки 1969 році американський фізик Джон Уілер придумав термін «чорна діра» (Уілер взагалі був романтиком, і другий придуманий ним термін, «Кротова нора», ще більш любимо фантастами).

Загробне життя зірки

Життєвий цикл зірки чимось схожий на людський - вона народжується і вмирає. Спочатку величезну хмару газу (переважно водню) в космосі починає стискатися під впливом власної гравітації, його молекули все частіше стикаються один з одним, і їх швидкості збільшуються. Газ розігрівається, і при певній температурі виникає реакція термоядерного синтезу, в результаті якої утворюється гелій. В ході реакції виділяється тепло і випромінюється світло. Так виникає зірка. Тепло створює додатковий тиск, яке врівноважує гравітаційне тяжіння, і зірка перестає стискатися - в стабільному стані вона може існувати понад мільйон років. Але рано чи пізно запаси реагує водню у зірки вичерпуються, і вона починає остигати і стискатися.

Тут порівняння з людським життям закінчується, тому що подальша доля світила залежить від його маси. З невеликих зірок виходять білі карлики, об`єкти з щільністю в сотні тонн на кубічний сантиметр. У космосі їх виявлено досить багато, і наше Сонце з часом поповнить їхні ряди. З більших світил утворюються нейтронні зірки. Їх розмір куди менше, ніж у білих карликів, зате щільність становить сотні мільйонів тонн на кубічний сантиметр.
І, нарешті, якщо маса зірки достатньо велика, то утворюється нейтронна зірка під впливом гравітації стискається все сильніше і сильніше, поки не стане чорною дірою.

Виходу немає

Одним з найважливіших досягнень Ейнштейна було відкриття природи гравітації. Вчений показав, що вона, по суті, є викривленням простору. Під впливом потужних об`єктів воно «промінается», як натягнута еластична тканина, на яку поклали важкий предмет. Продовжуючи це порівняння, можна сказати, що точно так само у вигляді важкого кулі можна уявити і Сонце, а Земля, будучи значно більш дрібним кулькою, не притягується до нього, а всього лише обертається в вийшла воронці (з тією тільки різницею, що справжній кулька згодом скотився б вниз).

Так само можна уявити і народження чорної діри - куля на натягнутій еластичною тканини стає все коротшим і щільним, і тканину все сильніше прогинається під його вагою, поки нарешті він не стає настільки маленьким, що вона просто замикається над ним і він пропадає з поля зору . Приблизно так відбувається і в реальності: простір-час навколо зірки згортається, і вона пропадає з Всесвіту, залишаючи в ній лише сильно викривлену область простору-часу. У самій же чорній дірі викривлення простору-часу стає нескінченним - такий стан фізики називають сингулярність, і в ньому немає ні простору, ні часу в нашому розумінні.
Через того, що відбувається викривлення промені світла, що йдуть від зірки, змінюють свої траєкторії. Якщо уявити собі ці промені як конуси, вершина яких - у зірки, а «підошва» - це коло розходиться світла, то можна сказати, що в процесі колапсу ці конуси поступово все більше нахиляються всередину, до зірки. Спостерігачеві, що дивиться на цей процес, буде здаватися, що світіння стає все більш тьмяним і червоним (це тому що червоне світло має найбільшу довжину хвилі). Зрештою викривлення (тобто гравітаційне поле) стане настільки сильним, що жоден промінь світла не зможе вийти назовні. Відповідно до теорії відносності, ніщо не може рухатися швидше за світло, і це означає, що починаючи з цього моменту ніщо не може вибратися за межі цього гравітаційного поля. Цю область простору, з якої немає виходу, і називають чорною дірою. Її межа визначається по траєкторії тих світлових променів, які першими втратили можливість вийти назовні. Вона називається горизонтом подій чорної діри - так само як, дивлячись з вікна, ми не бачимо, що знаходиться за горизонтом, так і умовний спостерігач не може зрозуміти, що відбувається всередині кордонів невидимою мертвої зірки.

Насправді все не так

Переконання, що ніщо не може покинути чорну діру, було непорушним до 70-х років XX століття. А в 1974 році Стівен Хокінг припустив, що чорні діри в результаті квантових процесів все ж випромінюють різноманітні елементарні частинки, переважно фотони. У 2010-х роках різні групи вчених в лабораторних умовах підтвердили його припущення. При цьому в природі такого випромінювання поки не було виявлено, як, втім, і самих чорних дір - Нобелівська премія за їх відкриття ще чекає свого щасливчика.
Увага, тільки СЬОГОДНІ!

Цікаві факти