Чорна діра
Чо́рна діра́ (англ. black hole) — область простору-часу, в якій гравітаційне поле настільки сильне, що не дає змоги навіть світлу покинути цю область.
Зміст
- 1 Історична довідка
- 2 Класична концепція поняття чорної діри
- 3 Передбачення теорії відносності
- 4 Еволюційний статус чорної діри як астрономічного об’єкта
- 5 Фізичні параметри чорної діри
- 6 Ентропія чорної діри
- 7 Випаровування чорних дір
- 8 Детектування чорних дір
- 9 Література
- 10 Автор ВУЕ
- 11 Важливо!
- 12 Відео
Історична довідка
Довгий час вважали, що концепція чорної діри належить математику й астроному П. С. Лапласу (1796). Проте ідею існування чорної діри 1783 висловив натурфілософ Дж. Мічелл (1724–1793; Велика Британія).
Термін «чорна діра» 1967 запропонував фізик Дж. А. Вілер (1911-2008; США).
Класична концепція поняття чорної діри
Чорна діра має горизонт подій — умовну поверхню, з-під якої жодну інформацію не можна передавати назовні. Горизонт подій чорної діри, що не обертається, перебуває на гравітаційному радіусі (радіусі Шварцшильда). Для його визначення використовують поняття швидкості відриву, або другої космічної швидкості:
де [math]M[/math] та [math]R[/math] — маса та радіус астрономічного об’єкта.
Формально на гравітаційному радіусі друга космічна швидкість дорівнює швидкості світла: [math]\upsilon_{ II } = с[/math] Тоді вираз для гравітаційного радіуса:
,
Для Сонця гравітаційний радіус становить 3 км.
Передбачення теорії відносності
Розв’язуючи рівняння А. Айнштайна, 1916 астроном і фізик К. Шварцшильд (1873–1916; Німеччина) отримав вираз для інтервалу [math]ds^2[/math] в околі гравітуючої маси [math]M[/math]:
де [math]R_{g }[/math] — гравітаційний радіус.
Сферу радіуса [math]R_{g }[/math], описану навколо точкової маси як центра, прийнято називати сферою Шварцшильда. Цей вираз описує простір-час зовні горизонту подій сферично-симетричної чорної діри, що не обертається. У цій шварцшильдівській геометрії світло завжди поширюється з однією й тією ж швидкістю і не може уповільнюватися.
Вираз для інтервалу Шварцшильда встановлює співвідношення між власним часом ф і координатним часом t (вимірює віддалений спостерігач):
Очевидно, якщо [math]r\gg R_{g }[/math], то [math]dt = d\tau[/math]. Проте якщо [math]r\rightarrow R_{g }[/math], то для будь-якого інтервалу власного часу [math]d\tau[/math], отримуємо [math]dt\rightarrow\infty[/math]. Для віддаленого спостерігача поверхня зорі під час гравітаційного колапсу лише за нескінченно довгий час наближається до сфери Шварцшильда, начебто застигаючи на цій сфері. Проте існують два ефекти, які унеможливлюють спостерігання «застиглих» зір: ефект гравітаційного червоного зміщення і Доплера ефект. Їхня сумісна дія призводить до того, що з наближенням поверхні зорі до горизонту подій, віддалений спостерігач буде бачити світло все більш червоним та все меншої інтенсивності: чорна діра врешті-решт стає невидимою. При цьому згасання світла чорної діри для віддаленого спостерігача відбувається практично миттєво.
Еволюційний статус чорної діри як астрономічного об’єкта
Зорі з масами [math]M \gt (20–30) M_{8}[/math], за сучасними уявленнями, колапсують з утворенням чорних дір із масою більше (2–3) M8 — межа Оппенгеймера — Волкова (1939). Надійних теоретичних розрахунків цього процесу немає, проте результати астрономічних спостережень, що свідчать про існування чорних дір, виглядають переконливими. І досі не ясно, чи супроводжується утворення чорної діри спалахом наднової, чи внаслідок акреційно-індукованого колапсу нейтронної зорі в тісній подвійній системі.
Фізичні параметри чорної діри
Стаціонарна чорна діра утворюється в результаті колапсу нейтральної речовини; описується геометрією (метрикою), що містить тільки два параметри: масу [math]M[/math] та момент імпульсу [math]J[/math]. Для сферично-симетричної чорної діри простір-час зовні горизонту подій у межах загальної теорії відносності описується розв’язком К. Шварцшильда; для чорної діри з відмінним від нуля моментом імпульсу — розв’язком У. Керра. За наявності електричного заряду речовини, яка колапсує, стаціонарна метрика, що виникає при цьому, однозначно визначається завданням трьох параметрів: [math]M[/math], [math]J[/math] та електричного заряду [math]Q[/math]. Тоді простір-час зовні горизонту подій описується розв’язком Керра — Ньюмана.
Ентропія чорної діри
Фізик-теоретик Дж. Д. Бекенштейн (1947–2015; Мексика — Фінляндія) 1973 зауважив: властивості однієї з характеристик чорної діри — площі її поверхні (площі горизонту) у — нагадує властивості ентропії. Під час будь-яких неквантових процесів площа у не зменшується (Гокінга теорема): веде себе так само, як ентропія. Довільна чорна діра (як і будь-яка термодинамічна система) після релаксаційних процесів опиняється у рівноважному (стаціонарному) стані; описується параметрами: [math]M[/math], [math]J[/math] та [math]Q[/math]. Площа горизонту в стаціонарної чорної діри у загальному випадку є функцією цих параметрів: [math]у = у (M, J, Q)[/math]. Згідно з термодинамічною аналогією, ентропію чорної діри можна визначити за формулою:
де [math]l_{pl} = \sqrt { G\eta/c^{3} } = 1,6*10^{-35}м[/math] — планківська довжина, [math]k[/math] — стала Больцмана.
Для чорної діри можна сформулювати закон, аналогічний другому закону термодинаміки: для будь-яких неквантових процесів площа горизонту чорної діри (отже, її ентропія) [math]S[/math] не зменшується: [math]dS\geq0[/math] .
Випаровування чорних дір
За твердженням С. Гокінга (1975), чорні діри можуть з часом випаровуватися (що,на перший погляд, суперечить нашим уявленням про чорну діру). Згідно з поглядами сучасної фізики, вакуум — не абсолютна пустота, він наповнений віртуальними частинками й античастинками. Вони постійно народжуються парами і зникають (анігіляція). Потужне гравітаційне поле поблизу чорної діри спричиняє перетворення віртуальних частинок у матеріальні (поляризація вакууму). Одна з частинок пари, що виникла, може перетнути горизонт подій, інша — покинути окіл чорної діри. За рахунок цього ефекту чорні діри втрачають масу — начебто випаровуються.
Детектування чорних дір
Прямим детектуванням виявити чорну діру зоряних мас неможливо. Існує декілька непрямих методів. Чорну діру можна виявити у тісній подвійній системі. Компонент, який спостерігається в оптичному діапазоні, внаслідок еволюції може заповнити свою порожнину Роша. У результаті через точку Лагранжа розпочнеться перетікання речовини з «оптичного» компонента на чорну діру. Оскільки потік газу несе великий обертальний момент, то навколо чорної діри утворюється акреційний диск. Його речовина розігрівається до високих температур і може спостерігатися як яскраве рентгенівське джерело.
Велика маса (більше [math]3M_{8}[/math]), яку можна визначити за допомогою третього узагальненого закону Кеплера, та швидка іррегулярність [math]\left(\Delta t \sim R_{g}/c \approx 10^{-3} - 10^{-4} c\right)[/math] потужного (~1029 – 1032 Дж/с) рентгенівського випромінювання — ознаки, за якими можна ідентифікувати чорну діру в рентгенівських подвійних системах і відрізнити від рентгенівського пульсара. Методами рентгенівської астрономії виявлено десятки таких кандидатів у чорні діри. Достатньо масивну чорну діру можливо також виявити через ефект гравітаційної лінзи (мікролінзування): чорна діра опиняється на промені зору між будь-якою зорею і спостерігачем. Надмасивні чорні діри (з масою у мільйони мас Сонця) можуть формуватися у центральних частинах галактик і кулястих зоряних скупчень як результат злиття багатьох зір у ділянках їхньої високої просторової концентрації.
Література
- Новиков И. Д. Черные дыры во Вселенной. Москва : Знание, 1977. 64 с.
- Новиков И. Д., Фролов В. П. Физика черных дыр. Москва : Наука, 1986. 328 с.
- Thorne K. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. New York : W.W. Norton, 1995. 620 p.
- Климишин І. А. Історія астрономії. 2-ге випр. вид. Івано-Франківськ : Гостинець, 2006. 652 с.
- Андрієвський С. М., Кузьменков С. Г., Захожай В. А. та ін. Загальна астрономія. Харків : ПромАрт, 2019. 524 с.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Кузьменков С.Г. Чорна діра // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Чорна діра (дата звернення: 28.04.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 14.04.2023
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
Національна поліція України
Відео
| Як ми знаємо, що чорні діри існують |
|---|
| Неймовірна ефективність чорних дір [MinutePhysics] |
|---|
| Що всередині чорної діри [Royal Museums Greenwich] |
|---|
