Чорні діри
Я обіцяв, що ми до них дійдемо. Настав час уважно роздивитися ці химерні об’єкти. Я розумію, чому деякі люди бояться їх. Погулявши трохи на YouTube, ви можете побачити десятки гіпотетичних «реконструкцій» чорних дір, більшість яких потрапляє в категорію «зірок смерті» або «пожирачів зір». У суспільній свідомості чорні діри — це надмогутні космічні вирви, які затягують усе у свою ненаситну пащу.
Але думка про те, що чорна діра засмоктує все поблизу неї, геть хибна. Навіть якщо йдеться про надмасивну чорну діру. Навколо чорної діри із зоряною масою або навіть надмасивної чорної діри можуть обертатися різні астрономічні тіла, переважно зорі, водночас їхнє взаємне розташування зовсім не змінюється. Інакше наша Галактика Чумацький Шлях уже зникла б у розташованій у її центрі величезній чорній дірі, маса якої в 4 мільйони разів більша за масу Сонця.
То що ми знаємо про цього дивного «звіра»? Максимум для нейтронної зорі — приблизно три маси Сонця, потім вона стискається під дією гравітації, утворюючи чорну діру. Якщо маса початкової поодинокої зорі приблизно в 25 разів перевищує масу Сонця, під час колапсу ядра матерія стискатиметься далі, а не зупиниться на етапі нейтронної зорі. Який результат? Чорна діра.
Якщо чорна діра належить до подвійної системи, ми можемо виміряти її гравітаційний вплив на видимих компаньйонів, а в деяких рідкісних випадках — навіть визначити її масу. (Про подвійні системи мова піде в наступному розділі).
Замість поверхні в чорної діри є те, що астрономи називають горизонтом подій, — межа в просторі, на якій сила тяжіння така потужна, що з гравітаційного поля не може вирватися навіть електромагнітне випромінювання. Розумію, що це звучить не дуже переконливо, тому спробуйте уявити чорну діру як важку кулю, що лежить посередині гумового листа. Під вагою кулі гума провисає, чи не так? Якщо ви не маєте напохваті листа гуми, візьміть стару панчоху або непотрібні колготи і виріжте з них якомога більший квадрат, поклавши у його центр камінчик. Потім підніміть цей клапоть, тримаючи за краї. Ви одразу побачите лійкоподібну западину, схожу на стовп торнадо. Вітаю: ви створили тривимірну версію того, що відбувається в просторі-часі в чотирьох вимірах. Фізики називають цю западину гравітаційним колодязем, бо він точно імітує вплив тяжіння на простір-час. Якщо ви візьмете важчий камінь, отримаєте глибшу западину, а це вказує на те, що масивніші об’єкти викривлюють простір-час ще більше.
Ми можемо мислити тільки в трьох просторових вимірах, тому нам дуже складно уявити, як масивна зоря створює вирву в чотиривимірному просторі-часі. Сприймати гравітацію як викривлення простору-часу навчив нас Альберт Ейнштейн, перетворивши її на питання геометрії, але не тієї, яку ви вивчали в школі.
Наш експеримент із колготами не ідеальний (упевнений, більшість із вас полегшено зітхне). Цьому є безліч причин, але головна полягає в тому, що неможливо уявити кульку, яка рухається стабільною орбітою навколо утвореного каменем гравітаційного колодязя. Проте в реальному астрономічному житті багато об’єктів мільйони й навіть мільярди років зберігають стабільну орбіту, обертаючись навколо масивних тіл. Місяць обертається навколо Землі, Земля — навколо Сонця, а Сонце і ще 100 мільярдів зір — навколо центра нашої Галактики.
З іншого боку, ця демонстрація допомагає наочно уявити чорну діру. Наприклад, ми бачимо: що масивніший об’єкт, то глибший колодязь і то крутіші його стінки, а отже, щоб вибратися з нього, знадобиться більше енергії. Втрачає енергію навіть електромагнітне випромінювання, коли намагається залишити гравітаційне поле масивної зорі, тобто частота випромінювання зменшується, а хвилі стають довшими. Як ви вже знаєте, зміщення в бік електромагнітного спектра з меншою енергією називають червоним зсувом. У випадку з компактною зорею (масивною і маленькою) відбувається червоний зсув під впливом гравітації, що має назву гравітаційне червоне зміщення (його не слід плутати із червоним зсувом унаслідок ефекту Доплера — див. розділи 2 і 13).
Щоб покинути поверхню планети чи зорі та знову на неї не впасти, потрібно розвинути певну мінімальну швидкість. Це так звана друга космічна швидкість, або швидкість втечі, і для Землі вона становить приблизно 11 кілометрів за секунду. Тому прив’язані до Землі супутники не можуть мати швидкість, що перевищує це значення. Що більша друга космічна швидкість, то більше енергії потрібно, щоб залишити поверхню зорі, тому що вона залежить як від швидкості втечі, так і від маси об’єкта (m), який утікає (потрібна кінетична енергія дорівнює ½mυ2).