Теорія неймовірності

Виникнення чорних дір

Вище у книжці ви читали про те, як помирають зірки. Всі зорі починаються як гігантські кулі з водню, що, стискаючись під власною вагою, спалахують. У надрах такої кулі проходить синтез важчих елементів. У порівняно невеликих зірках, як-от наше Сонце, водень повільно вигорає, перетворюючись на гелій. Якщо маса зорі не більш як увосьмеро переважає масу Сонця, гелій може стиснутися достатньо, щоб активувати термоядерний синтез кількох важчих елементів на кшталт вуглецю. Але на тому все. Коли гелій вигорить, зоря стає білим карликом, який поступово вистигатиме.

Усе значно цікавіше, коли маса зорі перевищує вісім мас Сонця. Тоді верхні шари далі стискають ядро, запускаючи ядерні реакції з утворенням щораз важчих елементів, аж до заліза.

До цього моменту рівновагу зорі підтримувала енергія, що виділялася під час термоядерного синтезу, проте залізне ядро енергію не виділяє, а поглинає, і як наслідок — зоря колапсує. Її верхні шари обвалюються, відбиваються від ядра, і зірку розриває на шматки у сліпучому спалахові, який учені називають надновою.

Одначе після спалаху наднової дещо залишається. Якщо початкова маса зорі коливається в межах від восьми до десяти мас Сонця, під час колапсу залізне ядро ущільнюється. Коли його температура сягає п’яти мільярдів градусів, відбувається розпад ядер заліза на альфа-частинки, тобто ядра гелію. Всередині цього зоряного залишку немає нічого, що могло би протистояти гравітаційному стисканню, тож він і надалі ущільнюється. Температура зростає, і зрештою, коли щільність речовини сягає скажених 10 мільйонів мільярдів кілограмів на кубічний метр, електрони зливаються з протонами й утворюється нейтронна зоря.

Нейтронна зоря — це дивовижний об’єкт, маса якого може дорівнювати двом сонячним за радіуса, який не перевищує десяти кілометрів. Вона така щільна, що на Землі одна чайна ложка речовини нейтронної зорі заважила б мільярд тонн. По суті, нейтронна зоря є чимось на кшталт атомного ядра завбільшки з місто.

Невелика ремарка. Уважний читач уже, напевно, зауважив, що в надрах нейтронної зорі не відбувається ніяких реакцій із виділенням енергії, тож, відповідно, виникає запитання: а що ж тоді втримує цю зорю від подальшого гравітаційного колапсу? Річ у тім, що нейтрони в ній опиняються так близько один до одного, що починають проявлятися квантово-механічні ефекти. Речовина всередині нейтронної зорі перебуває в стані так званого виродженого нейтронного газу (грубо кажучи, нейтрони не люблять, коли їх стискають надто сильно). Саме тиск цього газу втримує нейтронну зорю від колапсу.

Утім, говоримо зараз не про нейтронні зорі, а про чорні діри. Якщо маса вихідної зорі перевищує десять сонячних, залишок після вибуху наднової може важити більше за дві з половиною маси Сонця. Цей залишок ущільниться, коли ядра заліза всередині нього розпадуться на альфа-частинки. Ущільнення триватиме, електрони зіллються з протонами, утвориться нейтронна речовина. Проте цього разу маса буде надто великою, зоряний залишок далі провалюватиметься сам у себе, й тепер уже ніщо, навіть тиск виродженого нейтронного газу, не зупинить його колапсу. Зрештою залишок стиснеться в точку з нескінченною густиною — сформується чорна діра.

Іще одна ремарка. Критичну масу, за якої тиск виродженого нейтронного газу не протидіятиме гравітації, називають межею Оппенгеймера — Волкова. Ця межа є доволі розмитою. Вона може бути й більшою, і дещо меншою за дві з половиною маси Сонця, проте зовсім не тому, що вчені не спроможні точно її визначити. Річ у тім, що всі зорі в Усесвіті обертаються. Під час колапсу їхнє обертання пришвидшується, а відцентрова сила слугує додатковим чинником, який втримує речовину нейтронної зорі від перетворення на чорну діру.

Так виникають чорні діри, проте тільки зоряної маси. Описаний механізм не пояснює формування гігантських чорних дір із масою в мільйони чи мільярди сонць, які, за нинішніми уявленнями, розташовані в центрі більшості, якщо не всіх, галактик. Очевидно, що ніколи не існувало й не могло існувати зорі, яка лишила би після колапсу таку велику чорну діру. На жаль, учені поки не напрацювали єдиної теорії появи надмасивних чорних дір. Найпростіше припустити, що вони є результатом злиття менших чорних дір, але розрахунки вказують на те, що для цього потрібно більше часу, ніж існує сам Усесвіт. Ряд астрофізиків обстоює думку, що надмасивні чорні діри — це наслідок колапсу протогалактичного газу в центральних частинах галактик. Цілком можливо, проте переконливих доказів цього поки немає. Відповідь на це запитання ще належить знайти.