Сфера Шварцшільда та чорні діри.

Чорними дірами, з-поміж фізиків, прийнято називати область простору з настільки потужним тяжінням, що а ні речовина, а ні випромінювання (в тому числі й світло) не можуть її покинути. Щоб вийти за межі цього об’єкту тілу потрібно надати швидкості, яка є більшою за швидкість світла. Згідно сучасних уявлень максимальна швидкість руху частинок і поширення фізичних взаємодій рівна 299792458 м/с. Тому покинути межі чорної діри неможливо – області, з якої світло уже не може повернутись назад, називають горизонтом подій або ж сферою Шварцшильда.

У 1783 році англійський вчений Джон Мічелл висунув припущення, що в природі можуть існувати настільки масивні зорі, гравітаційне поле котрих настільки потужне, що швидкість, яка потрібна для його подолання рівна або більша швидкості світла. Використовуючи закони Ньютона, він розрахував, що якби зірка з масою Сонця мала б радіус не більший, ніж 3 км, то корпускули (частинки світла згідно ньютонівської фізики) не могли б далеко відлетіти від зорі і здалеку ця зоря здавалась б чорною. Так зародилась концепція “ньютонівської” чорної діри.

В подальші роки ця ідея не викликала великого зацікавлення у середовищі науковців. Так тривало до початку ХХ ст. В цей час з’явились нові теорії, які ламали тогочасні уявлення про природу та її закони. Однією з таких теорій була загальна теорія відносності Альберта Айнштайна. Німецький астроном Карл Шварцшильд отримав перший точний розв’язок рівнянь цієї теорії. В 1939 році американські фізики Роберт Опенґаймер і Гартланд Шнайдер довели, що ядро масивної зірки повинне колапсувати (стискатися – ред.) в максимально малий об’єкт, властивості простору навколо якого описуються розв’язком Шварцшильда. Оскільки ніякий носій інформації не може вирватись за межі горизонту подій, а всі речовини ззовні можуть вільно перетнути цю межу, виявилось, що чорна діра все поглинає і нічого не випромінює. При перетині радіусу Шварцшильда спостерігається викривлення простору і часу. В зв’язку з цим американським фізиком Джоном Арчибальдом Вілером у 1967 році був запропонований термін “чорна діра”, який добре прижився і у науці, і у попкультурі.

Найбільш очевидний сценарій утворення чорної діри – це колапс зірки, яка має масу більшу за три сонячні (легші ж перетворюються в нейтронну зірку або білого карлика – авт.). Механізм колапсу виглядає приблизно так: розміри масивної зорі підтримуються конвективними потоками (висхідний рух речовини при – ред.) гарячої речовини, які виникають завдяки термоядерним реакціям перетворення водню у гелій. Після вигорання усього водню, гелій починає перетворюватись на вуглець, а далі на кисень і важчі елементи, однак, тепла при цьому виділяється набагато менше – зірка починає охолоджуватись, а її внутрішні конвективні потоки сповільнюються. Відповідно, речовина, під дією власної гравітації зірки, починає рухатись до центру, спричинюючи різке стискання, яке не припиняється, а колишня зірка досягає нескінченно малого розміру…

Розрахунки показують, що чорна діра масою три сонячних має гравітаційний радіус близько 9 км. Астрономічні спостереження добре узгоджуються з цими розрахунками. Всі компоненти подвійних зоряних систем, що проявляють властивості чорних дір, мають маси від 4 до 16 сонячних.

У чорних дірок цікаві властивості. Після перетворення зорі в чорну діру, її властивості будуть залежати тільки від двох параметрів: маси і кутового моменту обертання, і жодним чином не залежать від властивостей речовини з якої вони були утворені. При будь-якому хімічному складі речовини первісної зорі чорні діри будуть одними й тими ж – атоми розпадаються на складові: протони, нейтрони, електрони… Чорні діри підкоряються тільки законам гравітації – і ніяким іншим.

Ще одна цікава властивість чорних дір проявляється в наступному: уявіть процес зіткнення двох чорних дір. В результаті цього утворюється одна масивніша діра. Площа сфери Шварцшильда новоутвореної чорної діри завжди більша суми площ поверхонь двох первісних чорних дір. Тобто, при злитті чорних дір площа їх поверхні збільшується швидше за масу. Це так звана “теорема площ” доведена в 1970 році Стівеном Гокінґом.

Спостереження за чорними дірами ведуться непрямими методами. Та досі ніхто з вчених не може стверджувати, що спостерігав їх. Ці надзвичайно цікаві і ще не цілком пояснені гіпотетичні астрономічні об’єкти залишаються відкритими “на папері”. Спростування чи доведення їх існування ще попереду. А поки вони займають почесне місце в науковій та науково-популярній літературі, диспутах вчених (і не тільки) науково-фантистичних творах та фільмах про космічні подорожі.