Чорна діра

Чорна діра — це діра простору-часу, в якій гравітаційне поле настільки сильне, що ніщо, що потрапляє в неї, навіть світло, не може втекти. Загальна теорія відносності передбачає, що достатньо компактна маса буде деформувати простір-час, утворюючи чорну діру. Навколо чорної діри існує математично визначена поверхня, що називається горизонтом подій, яка визначає точку, з якої вже немає повернення. Вона називається "чорною", тому що поглинає все світло, що потрапляє на горизонт, нічого не відбиваючи, подібно абсолютно чорному тілу в термодинаміці. Квантова механіка передбачає, що чорні діри випромінюють подібно чорному тілу зі скінченною температурою. Ця температура обернено пропорційна масі чорної діри, роблячи важкими спостереження цього випромінювання для чорних дір зоряних мас та вище.

Об'єкти, поле гравітації яких настільки сильне для світла, що воно не здатне вирватися, були вперше розглянуті у 18 столітті Джоном Мічеллом та П'єром-Симоном Лапласом. Карл Шварцшильд, видатний німецький фізик, був першим, хто запропонував розв'язок загальної відносності, що може характеризувати чорну діру, у 1916 році. Його розв'язок базувався на інтерпретації чорної діри як області простору, з якої ніщо не може втекти. Ця пропозиція настільки випередила свій час, що вона не була повністю оцінена впродовж наступних чотирьох десятиліть. Компактні об'єкти, що утворилися внаслідок гравітаційного колапсу, стали нарешті достовірною астрофізичною реальністю після відкриття нейтронних зір у середині 60-х. Представляючи собою математичний інтерес, теоретичні роботи численних відомих астрофізиків впродовж цієї ери показали, що чорні діри є передбаченням загальної відносності, що з необхідністю слідує з неї.

Очікується, що чорні діри зоряних мас утворюються, коли у зорі масою більше 10 мас Сонця закінчується паливо. Це призводить до скидання зовнішніх шарів газу при вибуху наднової. Ядро зорі колапсує і стає надгустим, так що навіть атомні ядра стискаються разом. Густина енергії у ядрі при цьому прямує до нескінченності. Після того, як чорна діра утворилася, вона може продовжувати рости, абсорбуючи масу зі свого оточення. Абсорбуючи інші зорі та зливаючись з іншими чорними дірами, можуть утворитися надмасивні чорні діри з масами порядку мільйонів мас Сонця. Загальноприйнято, що надмасивні чорні діри існують в центрах більшості галактик. Зокрема, є беззаперечний доказ існування чорної діри масою більше 4 мільйонів мас Сонця у центрі нашої Галактики.

Незважаючи на невидимість структури, присутність чорної діри може бути виявлена через її взаємодію з іншою матерією, світлом або іншим електромагнітним випромінюванням. Із зоряних рухів може бути обчислена маса та положення невидимого компонента. Було відкрито близько шести подвійних зоряних систем, в яких одна з зір невидима, але має існувати, тому що вона змушує своєю гравітаційною силою іншу, видиму зорю обертатися навколо їх спільного центру мас. Таким чином, ці невидимі зорі є добрими кандидатами у чорні діри. Астрономи ідентифікували численні кандидати у чорні діри зоряних мас у подвійних системах, вивчаючи рух їх компаньйонів таким чином.