1. Чорні дірки ВСЕСВІТУ
2. Чорні дірки ВСЕСВІТУ
3. Чорні дірки ВСЕСВІТУ

Чорні дірки ВСЕСВІТУ

Промені світла в околицях чорної діри.

Зірки і хмари газу в туманності Андромеди.

Результат комп'ютерного моделювання полів тяжіння. Так все це могло б виглядати в тому випадку, якщо обертається чорна діра знаходиться десь між Землею і галактикою Андромеди.

Якщо якийсь фантастичний космонавт потрапить в чорну діру, сили тяжіння будуть витягати його все більше і більше, поки не розірвуть на молекули, потім на атоми, а потім на елементарні частинки.

Галактика М84 віддалена від Землі на 50 мільйонів світлових років.

Щоб відшукати чорну діру, треба досліджувати рух обертових мас.

На фото: квазари, випромінюють дивовижно велику кількість енергії (1).

На малюнках: чорна діра засмоктує газ і пил (1).

Теорія відносності Ейнштейна говорить, що обертається маса захоплює за собою простір. Нещодавно цей ефект був виявлений астрономами.

<

>

Математичні розрахунки показують - невидимі гіганти є

Чотири роки тому група американських і японських астрономів направила свій телескоп на сузір'я Гончих Псів, на що знаходиться там спіральну туманність М106. 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 ж, як і тисячі інших галактик. При уважному вивченні виявилося, що у М106 є одна рідкісна особливість - в її центральній частині існує природний квантовий генератор - мазер. Це газові хмари, в яких молекули завдяки зовнішньої "накачування" випромінюютьрадіохвилі в мікрохвильовій області. Мазер допомагає точно визначити своє місце розташування і швидкість хмари, а в підсумку - і інших небесних тіл.

Японський астроном Макото Міоніс і 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 заінтригувала астрономів швидкість цього обертання: периферійні шари хмар переміщалися на чотири мільйони кілометрів на годину! Це говорить про те, що в центрі зосереджена гігантська маса. За розрахунками вона дорівнює 36 мільйонам сонячних мас.

Астрономи відкинули припущення про те, що така кількість матерії може бути дуже щільним скупченням зірок, яке ми не бачимо через космічного пилу. Зірки, що входять в скупчення, повинні були б знаходитися на дуже близькій відстані одна до іншої. При такій "товкучці" вони неодмінно почнуть стикатися, і зоряне скупчення досить швидко "розсиплеться". Загадку хороводу хмар вчені пояснили тим, що вони спостерігають чорну діру, вірніше, те, що відбувається в її околицях. Адже саму чорну діру побачити не можна.

М106 - не єдина галактика, де підозрюється чорна діра. У Туманності Андромеди, швидше за все, теж є і приблизно така ж по масі - 37 мільйонів Сонць. Передбачається, що і в галактиці М87 - надзвичайно інтенсивному джерелі радіовипромінювання - виявлена ​​чорна діра, в якій зосереджено 2 мільярди мас Сонця!

Ще 200 років тому питанням про вплив гравітації на поширення світла зірок задався нині мало кому відомий англійський натураліст Джон Мишелль. Більшість вчених в ті часи вважали, що світло складається з частинок. І Мишелль виходив з того, що частинки світла в своєму русі будуть сповільнюватися тяжінням зірки або планети, від якої вони видаляються. Він зробив розрахунок: якою має бути найменша сила тяжіння, щоб частинки світла не могли покинути їх джерело. Його обчислення говорили, що небесне тіло, важить в 500 разів більше нашого Сонця, взагалі не дозволить часткам світла покинути його.

"Якщо такі тіла в природі дійсно існують, - укладав свою роботу Мішель, - їх світло нас ніколи не досягне". Ідеї ​​вченого на якийсь час привернули увагу наукових кіл, але послідовників він не знайшов.

Минуло 13 років, і французький філософ П'єр Симон Лаплас, по всій видимості незнайомий з роботами Мішелль, прийшов до аналогічного висновку. Але тут незабаром було доведено, що світло - хвильове явище. Гіпотези Мішелль і Лапласа вчені залишили осторонь. Все, що стосувалося міркувань про взаємодію світла і гравітації, Лаплас в наступних виданнях своїх робіт викреслив.

життєпис зірки

Понад 100 років проблема взаємодії світла і гравітації була в забутті. Але до неї довелося повернутися, коли в кінці 1915 Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності - революційне пояснення сутності тяжіння.

Уявіть собі вільне від гравітації простір як рівну гумову плівку. Замість зірки у нас буде важкий більярдна куля. Покладемо його на плівку - вона прогнеться. Другий шар, що знаходиться поруч, буде грати роль планети. Він скотиться в поглиблення, зроблене першим шаром, і кулі зіткнуться. Але якщо ми змусимо друга куля рухатися з певною швидкістю по колу навколо першого, то зіткнення куль не буде - відцентрова сила врівноважує їх тяжіння.

Поводитися так, як кулі на гумовій плівці, повинна і промениста енергія - світло. У присутності тяжіння він зберігає свою швидкість, але траєкторія світла, що потрапив в поле тяжіння, викривляється під його впливом.

Німецький астроном Карл Шварцшильда настільки захопився теорією гравітації Ейнштейна, що взявся досліджувати, як все це відбивається на житті зірок. Отримані ним формули говорили, що на певній відстані від зірки час, простір і маса стають взаємозалежними: час може ставати простором, простір - часом. Ці парадокси навіть уявити неможливо, але математично вони відображаються чітко. Згідно рівнянням Загальної теорії відносності, сильні поля тяжіння надають уповільнює дію на час, викривляють простір.

Всі ці теоретичні висновки пройшли потім перевірку в експериментах астрономів і фізиків і всюди отримали підтвердження: парадокси теорії відносності виступають і в реальних подіях нашого світу, але відчутними вони стають, коли справа стосується великих мас і швидкостей. В останні роки ще раз переконалися в цьому на прикладі вивчення такого явища, як чорні діри.

Астрофізики зрозуміли, що рівняння Шварцшильда годяться для зірок малих розмірів. Небесне тіло, що має масу, рівну Сонця, на останньому етапі життя має "скулитися", його радіус зменшиться до трьох кілометрів - це так звана "межа Шварцшильда".

Продовжуючи вивчати природу зірок, астрофізики встановили, що це кулі з газу, всередині яких відбувається виділення енергії за рахунок злиття атомів водню і утворення більш важких атомів гелію. Виникло питання: а що станеться із зіркою, коли її паливо, водень, буде вичерпано?

Індійський учений Субрахманьяна Чандрасекар в 1930 році прийшов до висновку, що зірка з масою, що не перевищує 1,4 сонячної, в кінці свого життя перетвориться в зірку іншого класу - у білого карлика, який менше, ніж земна куля. Матерія в ній стиснута так щільно, що атоми втрачають свої електронні оболонки. Електрони починають жити власним життям. Їх свобода протистоїть силам тяжіння всередині тіла зірки і тим самим стримує подальше спадання речовини до її центру. Більш важкі зірки повинні, як вважалося на початку вивчення цієї проблеми, під дією колосальної гравітації стискатися ще більше. Але ніхто не уявляв, до яких меж вони можуть зменшитися.

Два роки по тому після того, як були опубліковані роботи Чандрасекара, англійський фізик Джеймс Чедвік відкрив нейтрон. Це допомогло дізнатися кінцеву долю важких зірок: величезне тяжіння "вдавлює" вільні електрони в протони, і виникають електрично нейтральні частинки - нейтрони. Народжується нейтронна зірка, речовину якої має неймовірну щільність. Шматочок такої матерії розміром з кубик пиляного цукру важить один мільярд тонн, а нейтронна піщинка зрівноважила б потужний електровоз. Але це відноситься до долі зірок, які мають масу не більше трьох сонячних. А що трапиться із зіркою важчій?

Відповідь на питання знайшли Роберт Оппенгеймер і його учні в 1939 році. За їхніми уявленнями, немає такої сили, яка могла б протистояти колапсу (стискання речовини), якщо маса зірки більш ніж в три рази перевершує сонячну. В цьому випадку - так говорить теорія - все речовина небесного тіла зійдеться в одній точці. Феномен, при якому щільність матерії стає нескінченно великою, математики називають сингулярність (від латинського "сингл", що означає "точка"). Радіус такої компактної зірки буде менше трьох метрів, тобто менше, ніж було визначено Шварцшильдом.

"Горизонт подій"

Коли зірка "спадается", то в навколишньому її просторі ростуть сили гравітації. Значить, простір все сильніше і сильніше викривляється. Зірка замикає навколо себе простір, коли її радіус стає менше, ніж "радіус Шварцшильда". Небесне тіло як би відокремлюється від усього Всесвіту: ні речовина, ні світ не можуть покинути зірку. Вона немов поміщена в якусь капсулу. Зірка стає невидимою - зовсім так, як ще два століття тому припускав Джон Мишелль!

Спостерігач ззовні ніяких сигналів від зірки отримати не може. Про неї можна сказати: зникла за "горизонтом подій". А як високо стоїть цей горизонт, визначається "радіусом Шварцшильда".

До останнього часу природа чорних дір здавалася зовсім незрозумілою, загадкової. Навіть Ейнштейн, теорія відносності якого стала першим каменем у фундаменті сучасного уявлення про космос, не вірив в існування такого фантастичного явища, як чорні діри. В одній зі своїх робіт, опублікованій в 1939 році, він писав, що можна довести: такого не може бути. Подальший розвиток науки показало, що тут він помилявся, хоча був настільки впевнений у своїй правоті, що до кінця життя до цієї проблеми не повертався. Так само і Оппенгеймер, зневірившись в існуванні чорних дір, не став продовжувати дослідження таємничого явища.

Втім, адже тоді це були суто теоретичні питання. Галактика М106 ще не відкрила свій секрет.

Лише в шістдесяті роки астрофізики всерйоз зайнялися пошуками екзотичних об'єктів Всесвіту. Чорні діри стали шукати серед важких потужних джерел світла. А такі у Всесвіті є. Наприклад, є область, яка за розмірами дорівнює приблизно нашій Сонячній системі, а випромінює енергії в тисячі разів більше, ніж всі зірки нашої Галактики - Чумацького Шляху.

У 1963 році американський астроном М. Шмідт висловив припущення, що недавно виявлений точкове джерело радіохвиль може бути чорною дірою, ще не повністю закритою "капсулою" викривленого простору. Через рік радянський фізик академік Яків Зельдович і його американський колега фізик Едвін Солпітер повідомили про розроблену ними модель. Модель показала: чорна діра притягує газ з навколишнього простору, і спочатку він збирається в диск біля неї. Від зіткнень часток газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починає по спіралі наближатися до чорної діри. Газ, нагрітий до декількох мільйонів градусів, утворює вихор, що має форму воронки. Його частинки мчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою вихор газу доходить до "горизонту подій" і навіки зникає в чорній дірі.

Мазер в галактиці М106, про який йшла мова на самому початку, знаходиться в газовому диску. Чорні діри, що виникають у Всесвіті, судячи з того, що спостерігали американські і японські астрономи в спіральної туманності М106, володіють незрівнянно більшою масою, ніж ті, про які говорить теорія Оппенгеймера. Він розглянув випадок колапсу однієї зірки, маса якої не більше трьох сонячних. А як утворюються такі гіганти, які астрономи вже спостерігають, пояснень поки немає.

Останні комп'ютерні моделі показали, що газова хмара, що знаходиться в центрі народжується галактики, може породити величезну чорну діру. Але можливий і інший шлях розвитку: скупчення газу спочатку розпадеться на безліч більш дрібних 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 діри.

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

Астрономічні спостереження, проведені за останні десять років, дозволяють з великим ступенем вірогідності говорити про те, що чорна діра в Чумацькому Шляху дійсно є, і в ній зосереджено речовина, рівне трьом мільйонам сонячних мас. У роботах Оппенгеймера і Шнайдера говорилося про теоретичну можливість існування таких гігантів.

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

Перший кандидат на таку модель - пара, виявлена ​​на початку сімдесятих років. Вона знаходиться в сузір'ї Лебедя (позначена індексом Cygnus XI) і випускає рентгенівські промені. Тут обертаються гаряча блакитна зірка і, цілком ймовірно, чорна діра з масою, що дорівнює 16 мас Сонця. Інша пара (V404) має невидиму масу в 12 сонячних. Ще одна підозрювана пара - рентгенівський джерело (LMCХ3) о дев'ятій сонячних мас знаходиться у Великій Магеллановій Хмарі.

Всі ці випадки добре пояснюються в міркуваннях Джона Мішелль про "темних зірок". У 1783 році він писав: "Якщо світяться тіла обертаються навколо невидимого чогось, то ми повинні бути в змозі з руху цього обертового тіла з відомою ймовірністю зробити висновок про існування цього центрального тіла".

Рік 1997. Нові відкриття

Зовсім недавно вдалося довести, що деякі чорні діри обертаються, залучаючи до цього руху і навколишній їхній простір. "До цих пір ми вміли дізнаватися лише масу чорної зірки, тепер можемо визначати її обертальний імпульс", - з гордістю говорить співробітник Центру НАСА в Хантсвіллі Шуанг Нан Цанг.

Чорну діру оточує якась межа, і вся матерія, яка перебуває всередині неї, неодмінно буде поглинена дірою. Розміри кордону залежать, зокрема, від швидкості обертання чорної діри. Цю швидкість можна порахувати, якщо знати, з якою швидкістю рухається матерія біля кордону.

Розшифровуючи інформацію, що надходить від супутників, що уловлюють рентгенівське випромінювання, Шуанг Нан Цанг і його колеги прийшли до висновку, що в Чумацькому Шляху знаходяться 12 чорних дір з масою від трьох до тридцяти сонячних. Деякі з цих дірок обертаються дуже повільно, інші - зовсім нерухомі. Але дві обертаються навколо своїх осей з неймовірною швидкістю.

"Досліджуючи обертання чорної діри, - пише астрофізик з Балтімора Маріо Лівіо, - можна дізнатися, скільки матерії вона встигла поглинути за своє життя і як обертальний імпульс пов'язаний з викидом матерії у вигляді осьової струменя". Цанг переконаний, що ці дві швидко обертаються діри, виявлені в нашій Галактиці, посилають в свої околиці струменя високоенергічних частинок. Струмені обертаються приблизно з тією ж швидкістю, що і сама чорна діра.

Точні виміри дозволяють визначити швидкість обертання вихору матерії перш, ніж вона зникне в чорній дірі.

Крім того, вчені виявили коливання інтенсивності рентгенівського випромінювання в обох об'єктів. Ці спостереження навели в кінці 1997 року на слід ще більш дивного феномена: газові і пилові частки близько двох чорних дір, про які йде мова, схильні до періодичного руху, званого прецесією. Це означає, що вісь вихрового руху частинок не стоїть на місці, а в свою чергу обертається навколо іншої осі.

Такий рух нам добре знайоме: полярна вісь Землі теж обертається і описує своїм (уявним) кінцем на небі коло за 25800 років. У чорних дір прецесія відбувається багато інтенсивніше: вісь газо-пилової диска (GRS 1915 + 105) обертається 67 разів на секунду, вісь диска, що оточує другу дірку (GROJ 1655-40), робить 300 обертів на секунду. Це говорить про те, що простір близько чорних дір саме залучено в обертання, приблизно так, як вода в ванні закручується перед випускним отвором.

Можливість існування подібного феномена передбачали ще в 1918 році австрійські фізики Йосип Ленз і Ганс Тюррінг. Вони прийшли до такого висновку на основі Загальної теорії відносності А. Ейнштейна. І ось тільки тепер, в кінці минулого року, вперше доведено, що такий ефект дійсно існує.

Нинішній успіх астрономії доводить, що чорні діри - не просто екзотичні об'єкти Всесвіту, окриляють нашу фантазію, вони змушують задуматися над тим, що багато химерні особливості природи ще не пізнані. Два італійських астронома, Луїджі Стела і Маріо Віертрі, на основі даних, отриманих із супутника RXTE, відкрили викривлення простору біля нейтронної зірки, правда, дуже слабке. Уже створюється супутник, названий "Gravity Probe В", спеціально пристосований для дослідження ефектів теорії відносності. Його старт планується на 2000 рік.

Гіпотези і парадокси

Загальна теорія відносності, як відомо, передбачила, що масавикривляє простір. І вже через чотири роки після опублікування роботи Ейнштейна цей ефект був виявлений астрономами. При повному сонячному затемненні, проводячи спостереження з телескопом, астрономи бачили зірки, які насправді були перекреслені краєм чорного місячного диска, що покрив Сонце. Під дією сонячної гравітації зображення зірок змістилися. (Тут вражає ще й точність вимірювання, тому що змістилися вони менше, ніж на одну тисячну градуса!)

Астрономи тепер точно знають, що під впливом "лінзи тяжіння", яку представляють собою важкі зірки і, перш за все, чорні діри, реальні позиції багатьох небесних тіл насправді відрізняються від тих, що нам бачаться з Землі. Далекі галактики можуть виглядати для нас безформними і більш яскравими, ніж вони є насправді через те, що на шляху до Землі їх світло взаємодіє з безліччю "лінз тяжіння". Іноді промінь, проходячи повз важкого об'єкта, розщеплюється, і тоді спостерігач із Землі бачить безліч зображень одного і того ж об'єкта, або ж вони зливаються в кільце.

Моделювання на комп'ютері показало, наприклад, що світіння газового диска, що обертається навколо чорної діри, видно і ззаду її "капсули". Це означає: тяжіння настільки велике простір так закручено, що світло проходить по колу. Воістину там можна побачити те, що відбувається за рогом.

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

У міру наближення до мети годинник на космічному кораблі будуть все більше і більше відставати - це випливає з теорії відносності. На підльоті до цілі наш мандрівник виявиться як би в трубі, кільцем навколишнього чорну діру, але йому буде здаватися, що він летить за зовсім прямому тунелю, а зовсім не по колу. Але космонавта чекає ще більш дивне явище: потрапивши за "горизонт подій" і рухаючись по трубі, він буде бачити свою спину, свій потилицю ...

Загальна теорія відносності говорить, що поняття "зовні" і "всередині" не мають об'єктивного сенсу, вони відносні так само, як вказівки "наліво" або "направо", "верх" або "низ". Вся ця парадоксальна плутанина з напрямами 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 буде відбуватися. А на кораблі зупиняться годинник, усі барви будуть зміщені в бік червоного кольору: світло втратить частину енергії в боротьбі з гравітацією. Всі предмети придбають дивні спотворені обриси. І, нарешті, навіть якщо ця чорна діра буде всього вдвічі важче, ніж наше Сонце, тяжіння стане настільки сильним, що і корабель, і його гіпотетичний капітан будуть витягнуті в шнурок і незабаром розірвані. Матерія, яка потрапила всередину чорної діри, не зможе протистояти силам, що тягне її до центру. Ймовірно, матерія розпадеться і перейде в сингулярні стан.

Згідно з деякими уявленням, ця розпалася матерія стане частиною якоїсь іншої Всесвіту - чорні діри пов'язують наш космос з іншими світами.

Чорні дірки ВСЕСВІТУ

Промені світла в околицях чорної діри.

Зірки і хмари газу в туманності Андромеди.

Результат комп'ютерного моделювання полів тяжіння. Так все це могло б виглядати в тому випадку, якщо обертається чорна діра знаходиться десь між Землею і галактикою Андромеди.

Якщо якийсь фантастичний космонавт потрапить в чорну діру, сили тяжіння будуть витягати його все більше і більше, поки не розірвуть на молекули, потім на атоми, а потім на елементарні частинки.

Галактика М84 віддалена від Землі на 50 мільйонів світлових років.

Щоб відшукати чорну діру, треба досліджувати рух обертових мас.

На фото: квазари, випромінюють дивовижно велику кількість енергії (1).

На малюнках: чорна діра засмоктує газ і пил (1).

Теорія відносності Ейнштейна говорить, що обертається маса захоплює за собою простір. Нещодавно цей ефект був виявлений астрономами.

<

>

Математичні розрахунки показують - невидимі гіганти є

Чотири роки тому група американських і японських астрономів направила свій телескоп на сузір'я Гончих Псів, на що знаходиться там спіральну туманність М106. 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 ж, як і тисячі інших галактик. При уважному вивченні виявилося, що у М106 є одна рідкісна особливість - в її центральній частині існує природний квантовий генератор - мазер. Це газові хмари, в яких молекули завдяки зовнішньої "накачування" випромінюютьрадіохвилі в мікрохвильовій області. Мазер допомагає точно визначити своє місце розташування і швидкість хмари, а в підсумку - і інших небесних тіл.

Японський астроном Макото Міоніс і 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 заінтригувала астрономів швидкість цього обертання: периферійні шари хмар переміщалися на чотири мільйони кілометрів на годину! Це говорить про те, що в центрі зосереджена гігантська маса. За розрахунками вона дорівнює 36 мільйонам сонячних мас.

Астрономи відкинули припущення про те, що така кількість матерії може бути дуже щільним скупченням зірок, яке ми не бачимо через космічного пилу. Зірки, що входять в скупчення, повинні були б знаходитися на дуже близькій відстані одна до іншої. При такій "товкучці" вони неодмінно почнуть стикатися, і зоряне скупчення досить швидко "розсиплеться". Загадку хороводу хмар вчені пояснили тим, що вони спостерігають чорну діру, вірніше, те, що відбувається в її околицях. Адже саму чорну діру побачити не можна.

М106 - не єдина галактика, де підозрюється чорна діра. У Туманності Андромеди, швидше за все, теж є і приблизно така ж по масі - 37 мільйонів Сонць. Передбачається, що і в галактиці М87 - надзвичайно інтенсивному джерелі радіовипромінювання - виявлена ​​чорна діра, в якій зосереджено 2 мільярди мас Сонця!

Ще 200 років тому питанням про вплив гравітації на поширення світла зірок задався нині мало кому відомий англійський натураліст Джон Мишелль. Більшість вчених в ті часи вважали, що світло складається з частинок. І Мишелль виходив з того, що частинки світла в своєму русі будуть сповільнюватися тяжінням зірки або планети, від якої вони видаляються. Він зробив розрахунок: якою має бути найменша сила тяжіння, щоб частинки світла не могли покинути їх джерело. Його обчислення говорили, що небесне тіло, важить в 500 разів більше нашого Сонця, взагалі не дозволить часткам світла покинути його.

"Якщо такі тіла в природі дійсно існують, - укладав свою роботу Мішель, - їх світло нас ніколи не досягне". Ідеї ​​вченого на якийсь час привернули увагу наукових кіл, але послідовників він не знайшов.

Минуло 13 років, і французький філософ П'єр Симон Лаплас, по всій видимості незнайомий з роботами Мішелль, прийшов до аналогічного висновку. Але тут незабаром було доведено, що світло - хвильове явище. Гіпотези Мішелль і Лапласа вчені залишили осторонь. Все, що стосувалося міркувань про взаємодію світла і гравітації, Лаплас в наступних виданнях своїх робіт викреслив.

життєпис зірки

Понад 100 років проблема взаємодії світла і гравітації була в забутті. Але до неї довелося повернутися, коли в кінці 1915 Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності - революційне пояснення сутності тяжіння.

Уявіть собі вільне від гравітації простір як рівну гумову плівку. Замість зірки у нас буде важкий більярдна куля. Покладемо його на плівку - вона прогнеться. Другий шар, що знаходиться поруч, буде грати роль планети. Він скотиться в поглиблення, зроблене першим шаром, і кулі зіткнуться. Але якщо ми змусимо друга куля рухатися з певною швидкістю по колу навколо першого, то зіткнення куль не буде - відцентрова сила врівноважує їх тяжіння.

Поводитися так, як кулі на гумовій плівці, повинна і промениста енергія - світло. У присутності тяжіння він зберігає свою швидкість, але траєкторія світла, що потрапив в поле тяжіння, викривляється під його впливом.

Німецький астроном Карл Шварцшильда настільки захопився теорією гравітації Ейнштейна, що взявся досліджувати, як все це відбивається на житті зірок. Отримані ним формули говорили, що на певній відстані від зірки час, простір і маса стають взаємозалежними: час може ставати простором, простір - часом. Ці парадокси навіть уявити неможливо, але математично вони відображаються чітко. Згідно рівнянням Загальної теорії відносності, сильні поля тяжіння надають уповільнює дію на час, викривляють простір.

Всі ці теоретичні висновки пройшли потім перевірку в експериментах астрономів і фізиків і всюди отримали підтвердження: парадокси теорії відносності виступають і в реальних подіях нашого світу, але відчутними вони стають, коли справа стосується великих мас і швидкостей. В останні роки ще раз переконалися в цьому на прикладі вивчення такого явища, як чорні діри.

Астрофізики зрозуміли, що рівняння Шварцшильда годяться для зірок малих розмірів. Небесне тіло, що має масу, рівну Сонця, на останньому етапі життя має "скулитися", його радіус зменшиться до трьох кілометрів - це так звана "межа Шварцшильда".

Продовжуючи вивчати природу зірок, астрофізики встановили, що це кулі з газу, всередині яких відбувається виділення енергії за рахунок злиття атомів водню і утворення більш важких атомів гелію. Виникло питання: а що станеться із зіркою, коли її паливо, водень, буде вичерпано?

Індійський учений Субрахманьяна Чандрасекар в 1930 році прийшов до висновку, що зірка з масою, що не перевищує 1,4 сонячної, в кінці свого життя перетвориться в зірку іншого класу - у білого карлика, який менше, ніж земна куля. Матерія в ній стиснута так щільно, що атоми втрачають свої електронні оболонки. Електрони починають жити власним життям. Їх свобода протистоїть силам тяжіння всередині тіла зірки і тим самим стримує подальше спадання речовини до її центру. Більш важкі зірки повинні, як вважалося на початку вивчення цієї проблеми, під дією колосальної гравітації стискатися ще більше. Але ніхто не уявляв, до яких меж вони можуть зменшитися.

Два роки по тому після того, як були опубліковані роботи Чандрасекара, англійський фізик Джеймс Чедвік відкрив нейтрон. Це допомогло дізнатися кінцеву долю важких зірок: величезне тяжіння "вдавлює" вільні електрони в протони, і виникають електрично нейтральні частинки - нейтрони. Народжується нейтронна зірка, речовину якої має неймовірну щільність. Шматочок такої матерії розміром з кубик пиляного цукру важить один мільярд тонн, а нейтронна піщинка зрівноважила б потужний електровоз. Але це відноситься до долі зірок, які мають масу не більше трьох сонячних. А що трапиться із зіркою важчій?

Відповідь на питання знайшли Роберт Оппенгеймер і його учні в 1939 році. За їхніми уявленнями, немає такої сили, яка могла б протистояти колапсу (стискання речовини), якщо маса зірки більш ніж в три рази перевершує сонячну. В цьому випадку - так говорить теорія - все речовина небесного тіла зійдеться в одній точці. Феномен, при якому щільність матерії стає нескінченно великою, математики називають сингулярність (від латинського "сингл", що означає "точка"). Радіус такої компактної зірки буде менше трьох метрів, тобто менше, ніж було визначено Шварцшильдом.

"Обрій подій"

Коли зірка "спадается", то в навколишньому її просторі ростуть сили гравітації. Значить, простір все сильніше і сильніше викривляється. Зірка замикає навколо себе простір, коли її радіус стає менше, ніж "радіус Шварцшильда". Небесне тіло як би відокремлюється від усього Всесвіту: ні речовина, ні світ не можуть покинути зірку. Вона немов поміщена в якусь капсулу. Зірка стає невидимою - зовсім так, як ще два століття тому припускав Джон Мишелль!

Спостерігач ззовні ніяких сигналів від зірки отримати не може. Про неї можна сказати: зникла за "горизонтом подій". А як високо стоїть цей горизонт, визначається "радіусом Шварцшильда".

До останнього часу природа чорних дір здавалася зовсім незрозумілою, загадкової. Навіть Ейнштейн, теорія відносності якого стала першим каменем у фундаменті сучасного уявлення про космос, не вірив в існування такого фантастичного явища, як чорні діри. В одній зі своїх робіт, опублікованій в 1939 році, він писав, що можна довести: такого не може бути. Подальший розвиток науки показало, що тут він помилявся, хоча був настільки впевнений у своїй правоті, що до кінця життя до цієї проблеми не повертався. Так само і Оппенгеймер, зневірившись в існуванні чорних дір, не став продовжувати дослідження таємничого явища.

Втім, адже тоді це були суто теоретичні питання. Галактика М106 ще не відкрила свій секрет.

Лише в шістдесяті роки астрофізики всерйоз зайнялися пошуками екзотичних об'єктів Всесвіту. Чорні діри стали шукати серед важких потужних джерел світла. А такі у Всесвіті є. Наприклад, є область, яка за розмірами дорівнює приблизно нашій Сонячній системі, а випромінює енергії в тисячі разів більше, ніж всі зірки нашої Галактики - Чумацького Шляху.

У 1963 році американський астроном М. Шмідт висловив припущення, що недавно виявлений точкове джерело радіохвиль може бути чорною дірою, ще не повністю закритою "капсулою" викривленого простору. Через рік радянський фізик академік Яків Зельдович і його американський колега фізик Едвін Солпітер повідомили про розроблену ними модель. Модель показала: чорна діра притягує газ з навколишнього простору, і спочатку він збирається в диск біля неї. Від зіткнень часток газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починає по спіралі наближатися до чорної діри. Газ, нагрітий до декількох мільйонів градусів, утворює вихор, що має форму воронки. Його частинки мчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою вихор газу доходить до "горизонту подій" і навіки зникає в чорній дірі.

Мазер в галактиці М106, про який йшла мова на самому початку, знаходиться в газовому диску. Чорні діри, що виникають у Всесвіті, судячи з того, що спостерігали американські і японські астрономи в спіральної туманності М106, володіють незрівнянно більшою масою, ніж ті, про які говорить теорія Оппенгеймера. Він розглянув випадок колапсу однієї зірки, маса якої не більше трьох сонячних. А як утворюються такі гіганти, які астрономи вже спостерігають, пояснень поки немає.

Останні комп'ютерні моделі показали, що газова хмара, що знаходиться в центрі народжується галактики, може породити величезну чорну діру. Але можливий і інший шлях розвитку: скупчення газу спочатку розпадеться на безліч більш дрібних 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 діри.

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

Астрономічні спостереження, проведені за останні десять років, дозволяють з великим ступенем вірогідності говорити про те, що чорна діра в Чумацькому Шляху дійсно є, і в ній зосереджено речовина, рівне трьом мільйонам сонячних мас. У роботах Оппенгеймера і Шнайдера говорилося про теоретичну можливість існування таких гігантів.

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

Перший кандидат на таку модель - пара, виявлена ​​на початку сімдесятих років. Вона знаходиться в сузір'ї Лебедя (позначена індексом Cygnus XI) і випускає рентгенівські промені. Тут обертаються гаряча блакитна зірка і, цілком ймовірно, чорна діра з масою, що дорівнює 16 мас Сонця. Інша пара (V404) має невидиму масу в 12 сонячних. Ще одна підозрювана пара - рентгенівський джерело (LMCХ3) о дев'ятій сонячних мас знаходиться у Великій Магеллановій Хмарі.

Всі ці випадки добре пояснюються в міркуваннях Джона Мішелль про "темних зірок". У 1783 році він писав: "Якщо світяться тіла обертаються навколо невидимого чогось, то ми повинні бути в змозі з руху цього обертового тіла з відомою ймовірністю зробити висновок про існування цього центрального тіла".

Рік 1997. Нові відкриття

Зовсім недавно вдалося довести, що деякі чорні діри обертаються, залучаючи до цього руху і навколишній їхній простір. "До цих пір ми вміли дізнаватися лише масу чорної зірки, тепер можемо визначати її обертальний імпульс", - з гордістю говорить співробітник Центру НАСА в Хантсвіллі Шуанг Нан Цанг.

Чорну діру оточує якась межа, і вся матерія, яка перебуває всередині неї, неодмінно буде поглинена дірою. Розміри кордону залежать, зокрема, від швидкості обертання чорної діри. Цю швидкість можна порахувати, якщо знати, з якою швидкістю рухається матерія біля кордону.

Розшифровуючи інформацію, що надходить від супутників, що уловлюють рентгенівське випромінювання, Шуанг Нан Цанг і його колеги прийшли до висновку, що в Чумацькому Шляху знаходяться 12 чорних дір з масою від трьох до тридцяти сонячних. Деякі з цих дірок обертаються дуже повільно, інші - зовсім нерухомі. Але дві обертаються навколо своїх осей з неймовірною швидкістю.

"Досліджуючи обертання чорної діри, - пише астрофізик з Балтімора Маріо Лівіо, - можна дізнатися, скільки матерії вона встигла поглинути за своє життя і як обертальний імпульс пов'язаний з викидом матерії у вигляді осьової струменя". Цанг переконаний, що ці дві швидко обертаються діри, виявлені в нашій Галактиці, посилають в свої околиці струменя високоенергічних частинок. Струмені обертаються приблизно з тією ж швидкістю, що і сама чорна діра.

Точні виміри дозволяють визначити швидкість обертання вихору матерії перш, ніж вона зникне в чорній дірі.

Крім того, вчені виявили коливання інтенсивності рентгенівського випромінювання в обох об'єктів. Ці спостереження навели в кінці 1997 року на слід ще більш дивного феномена: газові і пилові частки близько двох чорних дір, про які йде мова, схильні до періодичного руху, званого прецесією. Це означає, що вісь вихрового руху частинок не стоїть на місці, а в свою чергу обертається навколо іншої осі.

Такий рух нам добре знайоме: полярна вісь Землі теж обертається і описує своїм (уявним) кінцем на небі коло за 25800 років. У чорних дір прецесія відбувається багато інтенсивніше: вісь газо-пилової диска (GRS 1915 + 105) обертається 67 разів на секунду, вісь диска, що оточує другу дірку (GROJ 1655-40), робить 300 обертів на секунду. Це говорить про те, що простір близько чорних дір саме залучено в обертання, приблизно так, як вода в ванні закручується перед випускним отвором.

Можливість існування подібного феномена передбачали ще в 1918 році австрійські фізики Йосип Ленз і Ганс Тюррінг. Вони прийшли до такого висновку на основі Загальної теорії відносності А. Ейнштейна. І ось тільки тепер, в кінці минулого року, вперше доведено, що такий ефект дійсно існує.

Нинішній успіх астрономії доводить, що чорні діри - не просто екзотичні об'єкти Всесвіту, окриляють нашу фантазію, вони змушують задуматися над тим, що багато химерні особливості природи ще не пізнані. Два італійських астронома, Луїджі Стела і Маріо Віертрі, на основі даних, отриманих із супутника RXTE, відкрили викривлення простору біля нейтронної зірки, правда, дуже слабке. Уже створюється супутник, названий "Gravity Probe В", спеціально пристосований для дослідження ефектів теорії відносності. Його старт планується на 2000 рік.

Гіпотези і парадокси

Загальна теорія відносності, як відомо, передбачила, що масавикривляє простір. І вже через чотири роки після опублікування роботи Ейнштейна цей ефект був виявлений астрономами. При повному сонячному затемненні, проводячи спостереження з телескопом, астрономи бачили зірки, які насправді були перекреслені краєм чорного місячного диска, що покрив Сонце. Під дією сонячної гравітації зображення зірок змістилися. (Тут вражає ще й точність вимірювання, тому що змістилися вони менше, ніж на одну тисячну градуса!)

Астрономи тепер точно знають, що під впливом "лінзи тяжіння", яку представляють собою важкі зірки і, перш за все, чорні діри, реальні позиції багатьох небесних тіл насправді відрізняються від тих, що нам бачаться з Землі. Далекі галактики можуть виглядати для нас безформними і більш яскравими, ніж вони є насправді через те, що на шляху до Землі їх світло взаємодіє з безліччю "лінз тяжіння". Іноді промінь, проходячи повз важкого об'єкта, розщеплюється, і тоді спостерігач із Землі бачить безліч зображень одного і того ж об'єкта, або ж вони зливаються в кільце.

Моделювання на комп'ютері показало, наприклад, що світіння газового диска, що обертається навколо чорної діри, видно і ззаду її "капсули". Це означає: тяжіння настільки велике простір так закручено, що світло проходить по колу. Воістину там можна побачити те, що відбувається за рогом.

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

У міру наближення до мети годинник на космічному кораблі будуть все більше і більше відставати - це випливає з теорії відносності. На підльоті до цілі наш мандрівник виявиться як би в трубі, кільцем навколишнього чорну діру, але йому буде здаватися, що він летить за зовсім прямому тунелю, а зовсім не по колу. Але космонавта чекає ще більш дивне явище: потрапивши за "горизонт подій" і рухаючись по трубі, він буде бачити свою спину, свій потилицю ...

Загальна теорія відносності говорить, що поняття "зовні" і "всередині" не мають об'єктивного сенсу, вони відносні так само, як вказівки "наліво" або "направо", "верх" або "низ". Вся ця парадоксальна плутанина з напрямами 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 буде відбуватися. А на кораблі зупиняться годинник, усі барви будуть зміщені в бік червоного кольору: світло втратить частину енергії в боротьбі з гравітацією. Всі предмети придбають дивні спотворені обриси. І, нарешті, навіть якщо ця чорна діра буде всього вдвічі важче, ніж наше Сонце, тяжіння стане настільки сильним, що і корабель, і його гіпотетичний капітан будуть витягнуті в шнурок і незабаром розірвані. Матерія, яка потрапила всередину чорної діри, не зможе протистояти силам, що тягне її до центру. Ймовірно, матерія розпадеться і перейде в сингулярні стан.

Згідно з деякими уявленням, ця розпалася матерія стане частиною якоїсь іншої Всесвіту - чорні діри пов'язують наш космос з іншими світами.

Чорні дірки ВСЕСВІТУ

Промені світла в околицях чорної діри.

Зірки і хмари газу в туманності Андромеди.

Результат комп'ютерного моделювання полів тяжіння. Так все це могло б виглядати в тому випадку, якщо обертається чорна діра знаходиться десь між Землею і галактикою Андромеди.

Якщо якийсь фантастичний космонавт потрапить в чорну діру, сили тяжіння будуть витягати його все більше і більше, поки не розірвуть на молекули, потім на атоми, а потім на елементарні частинки.

Галактика М84 віддалена від Землі на 50 мільйонів світлових років.

Щоб відшукати чорну діру, треба досліджувати рух обертових мас.

На фото: квазари, випромінюють дивовижно велику кількість енергії (1).

На малюнках: чорна діра засмоктує газ і пил (1).

Теорія відносності Ейнштейна говорить, що обертається маса захоплює за собою простір. Нещодавно цей ефект був виявлений астрономами.

<

>

Математичні розрахунки показують - невидимі гіганти є

Чотири роки тому група американських і японських астрономів направила свій телескоп на сузір'я Гончих Псів, на що знаходиться там спіральну туманність М106. 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 ж, як і тисячі інших галактик. При уважному вивченні виявилося, що у М106 є одна рідкісна особливість - в її центральній частині існує природний квантовий генератор - мазер. Це газові хмари, в яких молекули завдяки зовнішньої "накачування" випромінюютьрадіохвилі в мікрохвильовій області. Мазер допомагає точно визначити своє місце розташування і швидкість хмари, а в підсумку - і інших небесних тіл.

Японський астроном Макото Міоніс і 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 заінтригувала астрономів швидкість цього обертання: периферійні шари хмар переміщалися на чотири мільйони кілометрів на годину! Це говорить про те, що в центрі зосереджена гігантська маса. За розрахунками вона дорівнює 36 мільйонам сонячних мас.

Астрономи відкинули припущення про те, що така кількість матерії може бути дуже щільним скупченням зірок, яке ми не бачимо через космічного пилу. Зірки, що входять в скупчення, повинні були б знаходитися на дуже близькій відстані одна до іншої. При такій "товкучці" вони неодмінно почнуть стикатися, і зоряне скупчення досить швидко "розсиплеться". Загадку хороводу хмар вчені пояснили тим, що вони спостерігають чорну діру, вірніше, те, що відбувається в її околицях. Адже саму чорну діру побачити не можна.

М106 - не єдина галактика, де підозрюється чорна діра. У Туманності Андромеди, швидше за все, теж є і приблизно така ж по масі - 37 мільйонів Сонць. Передбачається, що і в галактиці М87 - надзвичайно інтенсивному джерелі радіовипромінювання - виявлена ​​чорна діра, в якій зосереджено 2 мільярди мас Сонця!

Ще 200 років тому питанням про вплив гравітації на поширення світла зірок задався нині мало кому відомий англійський натураліст Джон Мишелль. Більшість вчених в ті часи вважали, що світло складається з частинок. І Мишелль виходив з того, що частинки світла в своєму русі будуть сповільнюватися тяжінням зірки або планети, від якої вони видаляються. Він зробив розрахунок: якою має бути найменша сила тяжіння, щоб частинки світла не могли покинути їх джерело. Його обчислення говорили, що небесне тіло, важить в 500 разів більше нашого Сонця, взагалі не дозволить часткам світла покинути його.

"Якщо такі тіла в природі дійсно існують, - укладав свою роботу Мішель, - їх світло нас ніколи не досягне". Ідеї ​​вченого на якийсь час привернули увагу наукових кіл, але послідовників він не знайшов.

Минуло 13 років, і французький філософ П'єр Симон Лаплас, по всій видимості незнайомий з роботами Мішелль, прийшов до аналогічного висновку. Але тут незабаром було доведено, що світло - хвильове явище. Гіпотези Мішелль і Лапласа вчені залишили осторонь. Все, що стосувалося міркувань про взаємодію світла і гравітації, Лаплас в наступних виданнях своїх робіт викреслив.

життєпис зірки

Понад 100 років проблема взаємодії світла і гравітації була в забутті. Але до неї довелося повернутися, коли в кінці 1915 Ейнштейн опублікував Загальну теорію відносності - революційне пояснення сутності тяжіння.

Уявіть собі вільне від гравітації простір як рівну гумову плівку. Замість зірки у нас буде важкий більярдна куля. Покладемо його на плівку - вона прогнеться. Другий шар, що знаходиться поруч, буде грати роль планети. Він скотиться в поглиблення, зроблене першим шаром, і кулі зіткнуться. Але якщо ми змусимо друга куля рухатися з певною швидкістю по колу навколо першого, то зіткнення куль не буде - відцентрова сила врівноважує їх тяжіння.

Поводитися так, як кулі на гумовій плівці, повинна і промениста енергія - світло. У присутності тяжіння він зберігає свою швидкість, але траєкторія світла, що потрапив в поле тяжіння, викривляється під його впливом.

Німецький астроном Карл Шварцшильда настільки захопився теорією гравітації Ейнштейна, що взявся досліджувати, як все це відбивається на житті зірок. Отримані ним формули говорили, що на певній відстані від зірки час, простір і маса стають взаємозалежними: час може ставати простором, простір - часом. Ці парадокси навіть уявити неможливо, але математично вони відображаються чітко. Згідно рівнянням Загальної теорії відносності, сильні поля тяжіння надають уповільнює дію на час, викривляють простір.

Всі ці теоретичні висновки пройшли потім перевірку в експериментах астрономів і фізиків і всюди отримали підтвердження: парадокси теорії відносності виступають і в реальних подіях нашого світу, але відчутними вони стають, коли справа стосується великих мас і швидкостей. В останні роки ще раз переконалися в цьому на прикладі вивчення такого явища, як чорні діри.

Астрофізики зрозуміли, що рівняння Шварцшильда годяться для зірок малих розмірів. Небесне тіло, що має масу, рівну Сонця, на останньому етапі життя має "скулитися", його радіус зменшиться до трьох кілометрів - це так звана "межа Шварцшильда".

Продовжуючи вивчати природу зірок, астрофізики встановили, що це кулі з газу, всередині яких відбувається виділення енергії за рахунок злиття атомів водню і утворення більш важких атомів гелію. Виникло питання: а що станеться із зіркою, коли її паливо, водень, буде вичерпано?

Індійський учений Субрахманьяна Чандрасекар в 1930 році прийшов до висновку, що зірка з масою, що не перевищує 1,4 сонячної, в кінці свого життя перетвориться в зірку іншого класу - у білого карлика, який менше, ніж земна куля. Матерія в ній стиснута так щільно, що атоми втрачають свої електронні оболонки. Електрони починають жити власним життям. Їх свобода протистоїть силам тяжіння всередині тіла зірки і тим самим стримує подальше спадання речовини до її центру. Більш важкі зірки повинні, як вважалося на початку вивчення цієї проблеми, під дією колосальної гравітації стискатися ще більше. Але ніхто не уявляв, до яких меж вони можуть зменшитися.

Два роки по тому після того, як були опубліковані роботи Чандрасекара, англійський фізик Джеймс Чедвік відкрив нейтрон. Це допомогло дізнатися кінцеву долю важких зірок: величезне тяжіння "вдавлює" вільні електрони в протони, і виникають електрично нейтральні частинки - нейтрони. Народжується нейтронна зірка, речовину якої має неймовірну щільність. Шматочок такої матерії розміром з кубик пиляного цукру важить один мільярд тонн, а нейтронна піщинка зрівноважила б потужний електровоз. Але це відноситься до долі зірок, які мають масу не більше трьох сонячних. А що трапиться із зіркою важчій?

Відповідь на питання знайшли Роберт Оппенгеймер і його учні в 1939 році. За їхніми уявленнями, немає такої сили, яка могла б протистояти колапсу (стискання речовини), якщо маса зірки більш ніж в три рази перевершує сонячну. В цьому випадку - так говорить теорія - все речовина небесного тіла зійдеться в одній точці. Феномен, при якому щільність матерії стає нескінченно великою, математики називають сингулярність (від латинського "сингл", що означає "точка"). Радіус такої компактної зірки буде менше трьох метрів, тобто менше, ніж було визначено Шварцшильдом.

"Обрій подій"

Коли зірка "спадается", то в навколишньому її просторі ростуть сили гравітації. Значить, простір все сильніше і сильніше викривляється. Зірка замикає навколо себе простір, коли її радіус стає менше, ніж "радіус Шварцшильда". Небесне тіло як би відокремлюється від усього Всесвіту: ні речовина, ні світ не можуть покинути зірку. Вона немов поміщена в якусь капсулу. Зірка стає невидимою - зовсім так, як ще два століття тому припускав Джон Мишелль!

Спостерігач ззовні ніяких сигналів від зірки отримати не може. Про неї можна сказати: зникла за "горизонтом подій". А як високо стоїть цей горизонт, визначається "радіусом Шварцшильда".

До останнього часу природа чорних дір здавалася зовсім незрозумілою, загадкової. Навіть Ейнштейн, теорія відносності якого стала першим каменем у фундаменті сучасного уявлення про космос, не вірив в існування такого фантастичного явища, як чорні діри. В одній зі своїх робіт, опублікованій в 1939 році, він писав, що можна довести: такого не може бути. Подальший розвиток науки показало, що тут він помилявся, хоча був настільки впевнений у своїй правоті, що до кінця життя до цієї проблеми не повертався. Так само і Оппенгеймер, зневірившись в існуванні чорних дір, не став продовжувати дослідження таємничого явища.

Втім, адже тоді це були суто теоретичні питання. Галактика М106 ще не відкрила свій секрет.

Лише в шістдесяті роки астрофізики всерйоз зайнялися пошуками екзотичних об'єктів Всесвіту. Чорні діри стали шукати серед важких потужних джерел світла. А такі у Всесвіті є. Наприклад, є область, яка за розмірами дорівнює приблизно нашій Сонячній системі, а випромінює енергії в тисячі разів більше, ніж всі зірки нашої Галактики - Чумацького Шляху.

У 1963 році американський астроном М. Шмідт висловив припущення, що недавно виявлений точкове джерело радіохвиль може бути чорною дірою, ще не повністю закритою "капсулою" викривленого простору. Через рік радянський фізик академік Яків Зельдович і його американський колега фізик Едвін Солпітер повідомили про розроблену ними модель. Модель показала: чорна діра притягує газ з навколишнього простору, і спочатку він збирається в диск біля неї. Від зіткнень часток газ розігрівається, втрачає енергію, швидкість і починає по спіралі наближатися до чорної діри. Газ, нагрітий до декількох мільйонів градусів, утворює вихор, що має форму воронки. Його частинки мчать зі швидкістю 100 тисяч кілометрів на секунду. Зрештою вихор газу доходить до "горизонту подій" і навіки зникає в чорній дірі.

Мазер в галактиці М106, про який йшла мова на самому початку, знаходиться в газовому диску. Чорні діри, що виникають у Всесвіті, судячи з того, що спостерігали американські і японські астрономи в спіральної туманності М106, володіють незрівнянно більшою масою, ніж ті, про які говорить теорія Оппенгеймера. Він розглянув випадок колапсу однієї зірки, маса якої не більше трьох сонячних. А як утворюються такі гіганти, які астрономи вже спостерігають, пояснень поки немає.

Останні комп'ютерні моделі показали, що газова хмара, що знаходиться в центрі народжується галактики, може породити величезну чорну діру. Але можливий і інший шлях розвитку: скупчення газу спочатку розпадеться на безліч більш дрібних 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 діри.

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

Астрономічні спостереження, проведені за останні десять років, дозволяють з великим ступенем вірогідності говорити про те, що чорна діра в Чумацькому Шляху дійсно є, і в ній зосереджено речовина, рівне трьом мільйонам сонячних мас. У роботах Оппенгеймера і Шнайдера говорилося про теоретичну можливість існування таких гігантів.

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

Перший кандидат на таку модель - пара, виявлена ​​на початку сімдесятих років. Вона знаходиться в сузір'ї Лебедя (позначена індексом Cygnus XI) і випускає рентгенівські промені. Тут обертаються гаряча блакитна зірка і, цілком ймовірно, чорна діра з масою, що дорівнює 16 мас Сонця. Інша пара (V404) має невидиму масу в 12 сонячних. Ще одна підозрювана пара - рентгенівський джерело (LMCХ3) о дев'ятій сонячних мас знаходиться у Великій Магеллановій Хмарі.

Всі ці випадки добре пояснюються в міркуваннях Джона Мішелль про "темних зірок". У 1783 році він писав: "Якщо світяться тіла обертаються навколо невидимого чогось, то ми повинні бути в змозі з руху цього обертового тіла з відомою ймовірністю зробити висновок про існування цього центрального тіла".

Рік 1997. Нові відкриття

Зовсім недавно вдалося довести, що деякі чорні діри обертаються, залучаючи до цього руху і навколишній їхній простір. "До цих пір ми вміли дізнаватися лише масу чорної зірки, тепер можемо визначати її обертальний імпульс", - з гордістю говорить співробітник Центру НАСА в Хантсвіллі Шуанг Нан Цанг.

Чорну діру оточує якась межа, і вся матерія, яка перебуває всередині неї, неодмінно буде поглинена дірою. Розміри кордону залежать, зокрема, від швидкості обертання чорної діри. Цю швидкість можна порахувати, якщо знати, з якою швидкістю рухається матерія біля кордону.

Розшифровуючи інформацію, що надходить від супутників, що уловлюють рентгенівське випромінювання, Шуанг Нан Цанг і його колеги прийшли до висновку, що в Чумацькому Шляху знаходяться 12 чорних дір з масою від трьох до тридцяти сонячних. Деякі з цих дірок обертаються дуже повільно, інші - зовсім нерухомі. Але дві обертаються навколо своїх осей з неймовірною швидкістю.

"Досліджуючи обертання чорної діри, - пише астрофізик з Балтімора Маріо Лівіо, - можна дізнатися, скільки матерії вона встигла поглинути за своє життя і як обертальний імпульс пов'язаний з викидом матерії у вигляді осьової струменя". Цанг переконаний, що ці дві швидко обертаються діри, виявлені в нашій Галактиці, посилають в свої околиці струменя високоенергічних частинок. Струмені обертаються приблизно з тією ж швидкістю, що і сама чорна діра.

Точні виміри дозволяють визначити швидкість обертання вихору матерії перш, ніж вона зникне в чорній дірі.

Крім того, вчені виявили коливання інтенсивності рентгенівського випромінювання в обох об'єктів. Ці спостереження навели в кінці 1997 року на слід ще більш дивного феномена: газові і пилові частки близько двох чорних дір, про які йде мова, схильні до періодичного руху, званого прецесією. Це означає, що вісь вихрового руху частинок не стоїть на місці, а в свою чергу обертається навколо іншої осі.

Такий рух нам добре знайоме: полярна вісь Землі теж обертається і описує своїм (уявним) кінцем на небі коло за 25800 років. У чорних дір прецесія відбувається багато інтенсивніше: вісь газо-пилової диска (GRS 1915 + 105) обертається 67 разів на секунду, вісь диска, що оточує другу дірку (GROJ 1655-40), робить 300 обертів на секунду. Це говорить про те, що простір близько чорних дір саме залучено в обертання, приблизно так, як вода в ванні закручується перед випускним отвором.

Можливість існування подібного феномена передбачали ще в 1918 році австрійські фізики Йосип Ленз і Ганс Тюррінг. Вони прийшли до такого висновку на основі Загальної теорії відносності А. Ейнштейна. І ось тільки тепер, в кінці минулого року, вперше доведено, що такий ефект дійсно існує.

Нинішній успіх астрономії доводить, що чорні діри - не просто екзотичні об'єкти Всесвіту, окриляють нашу фантазію, вони змушують задуматися над тим, що багато химерні особливості природи ще не пізнані. Два італійських астронома, Луїджі Стела і Маріо Віертрі, на основі даних, отриманих із супутника RXTE, відкрили викривлення простору біля нейтронної зірки, правда, дуже слабке. Уже створюється супутник, названий "Gravity Probe В", спеціально пристосований для дослідження ефектів теорії відносності. Його старт планується на 2000 рік.

Гіпотези і парадокси

Загальна теорія відносності, як відомо, передбачила, що масавикривляє простір. І вже через чотири роки після опублікування роботи Ейнштейна цей ефект був виявлений астрономами. При повному сонячному затемненні, проводячи спостереження з телескопом, астрономи бачили зірки, які насправді були перекреслені краєм чорного місячного диска, що покрив Сонце. Під дією сонячної гравітації зображення зірок змістилися. (Тут вражає ще й точність вимірювання, тому що змістилися вони менше, ніж на одну тисячну градуса!)

Астрономи тепер точно знають, що під впливом "лінзи тяжіння", яку представляють собою важкі зірки і, перш за все, чорні діри, реальні позиції багатьох небесних тіл насправді відрізняються від тих, що нам бачаться з Землі. Далекі галактики можуть виглядати для нас безформними і більш яскравими, ніж вони є насправді через те, що на шляху до Землі їх світло взаємодіє з безліччю "лінз тяжіння". Іноді промінь, проходячи повз важкого об'єкта, розщеплюється, і тоді спостерігач із Землі бачить безліч зображень одного і того ж об'єкта, або ж вони зливаються в кільце.

Моделювання на комп'ютері показало, наприклад, що світіння газового диска, що обертається навколо чорної діри, видно і ззаду її "капсули". Це означає: тяжіння настільки велике простір так закручено, що світло проходить по колу. Воістину там можна побачити те, що відбувається за рогом.

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

У міру наближення до мети годинник на космічному кораблі будуть все більше і більше відставати - це випливає з теорії відносності. На підльоті до цілі наш мандрівник виявиться як би в трубі, кільцем навколишнього чорну діру, але йому буде здаватися, що він летить за зовсім прямому тунелю, а зовсім не по колу. Але космонавта чекає ще більш дивне явище: потрапивши за "горизонт подій" і рухаючись по трубі, він буде бачити свою спину, свій потилицю ...

Загальна теорія відносності говорить, що поняття "зовні" і "всередині" не мають об'єктивного сенсу, вони відносні так само, як вказівки "наліво" або "направо", "верх" або "низ". Вся ця парадоксальна плутанина з напрямами 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 буде відбуватися. А на кораблі зупиняться годинник, усі барви будуть зміщені в бік червоного кольору: світло втратить частину енергії в боротьбі з гравітацією. Всі предмети придбають дивні спотворені обриси. І, нарешті, навіть якщо ця чорна діра буде всього вдвічі важче, ніж наше Сонце, тяжіння стане настільки сильним, що і корабель, і його гіпотетичний капітан будуть витягнуті в шнурок і незабаром розірвані. Матерія, яка потрапила всередину чорної діри, не зможе протистояти силам, що тягне її до центру. Ймовірно, матерія розпадеться і перейде в сингулярні стан.

Згідно з деякими уявленням, ця розпалася матерія стане частиною якоїсь іншої Всесвіту - чорні діри пов'язують наш космос з іншими світами.