Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

налічується сотня мільярдів тільки в нашій Галактиці. Така величезна кількість чорних дір створює додаткове гравітаційне притягання — і це може пояснити, чому наша Галактика обертається саме з наявною швидкістю, адже маси видних зір недосить, щоб забезпечити її. Ми маємо також деякі докази, що в центрі нашої Галактики є набагато більша чорна діра, маса якої десь у сотню тисяч разів перевищує масу Сонця. Зорі в Галактиці, що проходять занадто близько від цієї чорної діри, будуть розриватися різницею у гравітаційних силах на їхній прилеглій та відлеглій стороні. Їхні рештки та газ, скинутий іншими зорями, полетять у бік чорної діри. Як і у разі з Лебедем X-l, газ рухатиметься по спіралі та нагріватиметься, хоч і не так сильно. Його температури не вистачить для того, щоб випромінювати Рентґенове проміння, а от щоб стати компактним джерелом радіохвиль та інфрачервоного проміння, що його ми спостерігаємо у центрі галактики, — цілком.

Рис. 6.3.

Вважають, що подібні, тільки ще більші чорні діри, маса яких десь у сотню мільйонів разів перевищує масу Сонця, розташовані в центрах квазарів. Наприклад, спостереження, проведені за допомогою телескопа Габла, галактики, відомої як M87, виявили, що там міститься диск газу розміром 130 світлових років упоперек, який обертається довкола центрального об’єкта, маса якого у два мільярди разів перевищує масу Сонця. Це може бути тільки чорна діра. Єдине джерело, здатне забезпечити величезну кількість енергії, що її випромінюють ці об’єкти, — це матерія, яка падає у надмасивну чорну діру. Коли матерія рухається по спіралі до чорної діри, вона змушує ту обертатися в тому ж напрямі, приводячи до створення магнетного поля на кшталт того, що має Земля. Матерія, що падає, створює поблизу чорної діри дуже високоенергетичні частинки. Магнетне поле буде таке потужне, що воно може сфокусувати ці частинки у струмини, викидувані назовні вздовж осі обертання чорної діри, тобто в напрямах її північного та південного полюсів. Такі струмини справді спостережені в низці галактик і квазарів. Можна також розглянути можливість того, що існують чорні діри, з масою набагато меншою, ніж у Сонця. Такі чорні діри не могли б утворитися шляхом гравітаційного колапсу, адже їхні маси менші за Чандрасекарову границю: зорі з такою малою масою можуть опиратися тяжінню навіть після того, як вичерпають ядерне паливо. Чорні діри з малою масою можуть утворитися, тільки якщо матерія стиснеться до величезних густин під дією дуже великих зовнішніх тисків. Такі умови можуть виникнути у величезній водневій бомбі: фізик Джон Вілер якось вирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх світових океанів, то можна було б створити водневу бомбу, яка так сильно стисне речовину в центрі, що утвориться чорна діра. (Звісно, нікого не залишиться, щоб це побачити!) Практичніша можливість полягає в тому, що такі чорні діри з малою масою утворилися в умовах високих температур і тиску в дуже ранньому Всесвіті. Чорні діри могли з’явитися, тільки якщо ранній Всесвіт не був ідеально гладкий і однорідний, бо тільки невелика щільніша, ніж у середньому, область може бути стиснута так, щоб утворилася чорна діра. Натомість ми знаємо, що тоді існували певні неоднорідності, бо інакше матерія у Всесвіті була б до сучасної епохи розподілена ідеально рівномірно, а не згрупована разом у зорі та галактики.

Чи неоднорідності, необхідні, щоб пояснити утворення зір та галактик, привели й до утворення істотного числа «первісних» чорних дір, безумовно, залежить від особливостей умов у ранньому Всесвіті. Тож якби ми змогли визначити, скільки тепер у Всесвіті первісних чорних дір, ми чимало дізналися б про найранніші етапи Всесвіту. Первісні чорні діри, маса яких перевищує мільярд тон (масу великої гори), можна виявити тільки завдяки їхньому гравітаційному впливу на іншу, видну, матерію чи на розширення Всесвіту. Однак у дальшому розділі ми дізнаємося, що чорні діри врешті не зовсім й чорні — вони світяться як гаряче тіло. І що вони менші, то сильніше світяться. Тому, хоч як це парадоксально, менші чорні діри, може статися, легше виявити, ніж великі!

Розділ 7   ЧОРНІ ДІРИ НЕ ТАКІ ВЖЕ Й ЧОРНІ

До 1970 року, коли я досліджував загальну теорію відносності, найбільше мене цікавило: існувала сингулярність Великого вибуху, чи ні. Втім одного вечора в листопаді того року, невдовзі після народження моєї доньки Люсі, я задумався перед сном про чорні діри. А що через стан здоров’я мені важко заснути, то я мав удосталь часу про них поміркувати. На той момент не було чіткого означення, які точки простору-часу лежать усередині чорної діри, а які — ззовні. А я вже обговорював із Роджером Пенроузом ідею про те, щоб означити чорну діру як множину подій, з якої неможливо вирватися на велику відстань. Нині це загальноприйняте означення. Це означає, що межу чорної діри, горизонт подій, утворюють промені світла, які просто не можуть вирватися з чорної діри, навічно зависаючи на її краю (рис. 7.1). Так наче б ви втікали від поліції, але ніяк не могли від неї відірватися, хіба випереджати на один крок!

Рис. 7.1.

Раптом я зрозумів, що траєкторії цих променів світла ніколи не зможуть зблизитися. Інакше вони врешті мали б зіткнутися. Так ніби ви б зіштовхнулися ще з кимось, хто б утікав від поліції у протилежному напрямі — тоді вас би обох спіймали! (Чи, як у цьому разі, впали б у чорну діру). Однак якби ці промені світла поглинула чорна діра, то вони б не могли бути на її межі. Отож траєкторії променів світла в горизонті подій повинні завжди бути паралельно одна до одної, тобто на віддалі. Можна висловитися ще й так: горизонт подій, межа чорної діри, це немов край тіні — тіні неминучої загибелі. Якщо ви поглянете на тінь, що її відкидає якийсь об’єкт з великої відстані, наприклад Сонце, то побачите, що промені світла на краю не наближаються один до одного.

Якщо промені світла, що утворюють горизонт подій — межу чорної діри, ніколи не можуть зближуватися, то площа горизонту подій може залишатися такою самою або з часом збільшуватися, але в жодному разі не зменшуватися, бо це означатиме, що принаймні деякі з променів світла на краю мали б наближатися один до одного. Насправді площа горизонту подій зростатиме щоразу, як у чорну діру падатиме речовина або проміння (рис. 7.2). Або якщо дві чорні діри зіштовхнуться і зіллються