Теорія неймовірності - Максим Іванович Дідрук

А потім, на початку XX століття, з’явився Ейнштейн зі своєю загальною теорією відносності. Він пояснив, що гравітація — то ніяка не сила. Гравітація виникає через те, що масивні об’єкти викривляють простір довкола себе, відповідно небесні тіла рухаються в цьому викривленому просторі так, ніби на них діє сила з боку інших тіл. І тоді концепція чорних дір виринула знову. За загальною теорією відносності чорна діра є надмасивним астрофізичним тілом, яке викривляє простір довкола себе так, що ніщо, навіть електромагнітне випромінювання, не може вирватися назовні. Ба більше, безпосереднім висновком із математичного опису теорії відносності стало твердження про існування точкових об’єктів із нескінченною густиною. Першим це зрозумів видатний німецький фізик Карл Шварцшильд, хоча сам Ейнштейн аж до своєї смерті вважав концепт чорних дір дурницею, математичною аномалією, що абсолютно не пов’язана з реальністю.

Утім, Ейнштейн помилявся. Чорні діри існують. Попри складність їхнього виявлення, упродовж останніх тридцяти років астрономи зафіксували кілька десятків чорних дір зоряної маси, таких об’єктів лише в нашій галактиці загалом нарахували не менше як понад десять мільйонів. Учені також довели, що надмасивні чорні діри, маса яких у мільйони, а то й у мільярди разів перевищує масу Сонця, розташовані в центрі абсолютної більшості галактик Усесвіту. 2019-го вони навіть отримали зображення акреційного диска довкола такої діри в центрі надмасивної галактики Месьє 87 за 53 мільйони світлових років від Землі.

Чорні діри часто змальовують такими собі космічними порохотягами, що всмоктують у себе все, до чого можуть дістатися. Це не так. Чорні діри мають сферу гравітаційного впливу — як і будь-яке інше астрофізичне тіло, — але якби, наприклад, Сонце раптово стислося в чорну діру, його гравітаційний вплив на Землю не змінився б. Наша планета й далі б рухалася своєю орбітою. (Звісно, землян дещо насторожило б раптове зникнення сонячного світла приблизно за вісім хвилин після колапсу Сонця, та йдеться не про це.)

Надмасивні чорні діри — як та, що міститься в центрі нашої галактики та маса якої сягає чотирьох мільйонів мас Сонця, — також не є ненажерливими монстрами. Їхній горизонт подій такий великий і віддалений від сингулярності в центрі, що на момент його перетину умовний астронавт нічого не відчує. Це поширена хибна думка: нібито горизонт подій чорної діри постає чимось на кшталт реальної фізичної мембрани, за наближення до якої об’єкт розірве на атоми. Насправді ж горизонт є математичною абстракцією. Він цілком уявний. Якщо чорна діра достатньо масивна, припливні сили на її горизонті незначні, тож астронавт-невдаха під час його перетину реально нічого не відчує.

Із цього можна було би виснувати, що чорні діри безпечні. Просто ще один різновид астрофізичних об’єктів — як зорі, тільки масивніші та, власне, чорні. Але це не зовсім так. Нам можна не боятися падіння в чорну діру, й навряд чи чорна діра прилетить із космосу, щоб поглинути нашу планету, та це не означає, що вони безпечні. Народження чорної діри — надзвичайно бурхливий процес. Під час гравітаційного колапсу масивної зорі утворюються парні струмені жорсткого гамма-випромінювання, які вистрілюють в обидва боки вздовж осі обертання. Хороші новини: такий колапс трапляється рідко, приблизно одна подія за 200 мільйонів років на галактику. Ймовірність того, що один зі струменів, так званих джетів, поцілить акурат у Землю, вкрай низька. Погані новини: якщо це все-таки станеться, якщо наша планета опиниться на «лінії вогню», а колапс зорі, що передує формуванню чорної діри, відбудеться в межах кількох тисяч світлових років, у життя на Землі немає жодного шансу. Щонайкраще жорсткі гамма-промені вщент випалять озоновий шар, через що різко посилиться частотність генетичних мутацій, а найгірше — згенеровані чорною дірою джети знищать усю біосферу.

Так, імовірність цього мала. Але хтозна, можливо, чотири чи п’ять тисяч років тому, тоді як єгиптяни зводили Велику піраміду, одна із зір за тисячі світлових років від Сонячної системи сколапсувала в чорну діру. І можливо, вісь її обертання вказувала на Землю, а тому один із виниклих під час колапсу джетів просто зараз зі швидкістю світла мчить до Землі. Ми ж цього не знаємо. І не дізнаємося, поки одна із зір на нічному небі раптом не зникне, а замість неї на нас не поллється гамма-випромінювання, що шматуватиме молекули в наших тілах.

Як побачити чорну діру?

Як можна побачити те, що апріорі невидиме? Жодна з форм електромагнітного випромінювання не виривається за межі гравітаційного впливу чорної діри, тож як переконатися, що хоч одна існує?

Концепція чорної діри виникла на початку XX століття. Існування точкових об’єктів із нескінченною густиною безпосередньо випливало з ейнштейнівської загальної теорії відносності, проте минуло аж пів століття, доки вчені поставилися до цієї ідеї серйозно. Та й то не всі. Чимало з них залишалися скептичними й насміхалися з колег, які вірили в реальність чорних дір. Зараз це звучить дещо дивно, зважаючи, що за останні три десятиліття астрономи й астрофізики напрацювали щонайменше пів десятка способів виявляти чорні діри.

Річ у тім, що чорні діри здебільшого є не ізольованими об’єктами й, попри те, що нічого не випромінюють самі, взаємодіють із середовищем. Ця взаємодія така бурхлива, що не помітити її неможливо.

Чорні діри зоряної маси утворюються після загибелі надмасивних зір, усередині яких вигоріло паливо для термоядерного синтезу та які далі не можуть опиратися гравітаційному колапсові. Часто такі зорі не самотні. Власне, чи не половина зоряних систем у космосі є подвійними. Тобто складаються із двох зірок, які обертаються довкола спільного центру мас.

Отож уявімо систему з двох масивних блакитних гігантів. Одна із зірок зазвичай є більшою, стискає свої надра сильніше, а тому горить бурхливіше, вигорає швидше та спалахує надновою, залишаючи по собі чорну діру. Менша компаньйонка в цей час продовжує спокійно палати. Відтак маємо систему, однією з компаньйонок якої є чорна діра, а другою — проста масивна зоря. Вони немовби кружляють у танці одна довкола одної, і під час цього танцю чорна діра перетягує на себе частину речовини зі своєї партнерки. Речовина перед наближенням до горизонту подій закручується та розігрівається, формуючи довкруж чорної діри акреційний диск. Розжарена до мільйонів градусів плазма в цьому дискові випромінює жорсткі рентгенівські промені, які можна зафіксувати на значній відстані.

Саме в такий спосіб учені виявили першу в історії астрономічних спостережень чорну діру. За шість