Сучасна астрофізика пропонує декілька гіпотез, що таке чорні діри і як вони функціонують. Одна з них передбачає, що ЧД діє як об'єкт, що "поглинає"матерію, просто абсорбуючи все, що потрапляє в її гравітаційне поле.
Все завдяки викривленню простору-часу. Однак точний механізм такого поглинання нам невідомий. Ми не розуміємо, що відбуваються всередині цих астрономічних об’єктів.
Ми не знаємо й про їх походження. Чорні діри нібито утворюються, коли руйнуються масивні зірки, залишаючи по собі щільне ядро. Настільки, що не дозволяє навіть світлу прорватися за кордони власного гравітаційного поля.
Межа контролю такої області називається горизонтом подій, і вона позначає точку неповернення для будь-якої матерії або випромінювання, які її перетинають.
Чорні діри та рівняння Ейнштейна
Одна з головних проблем у розумінні чорних дір полягає в тому, що вони пов'язані з квантовою механікою та загальною теорією відносності - двома теоріями, які поки що методологічно несумісні одна з одною. Квантова механіка описує поведінку матерії та енергії в найдрібніших масштабах, а загальна відносність — космічні явища.
Фізики припускають, що усередині чорної діри діють як квантові, так і гравітаційні ефекти. Тут, так би мовити, можна запропонувати два виходи. Або створити теорію квантової гравітації, щоб повністю описати чорні діри. Або допустити третій ефект — ефект сингулярності.
Якщо це так, тоді з чим ми маємо справу? З електрослабкою чи електросильную ядерною силою? Чи з електрогравітацію? До речі, останнім часом саме ця думка стає панівною в середовищі “альтернативників”. Щоправда, поки не зрозумілі навіть математичні контури майбутньої теорії.
І тут ми зіштовхуємось з рядом концептуальних питань.
- Яка природа сингулярності?
- Сингулярність - це гіпотетична точка в центрі чорної діри, де вся маса та енергія зосереджені в нескінченно малому об'ємі?
- Або це математична ідеалізація, яка точно не існує в реальності?
За словами фізика-теоретика Рона Девіса, коли радіус/маса тіла падає нижче певної величини, рівняння поля загальної теорії відносності Ейнштейна відповідають сингулярністю, тобто об’єкт обмежується геометричною точкою.
А коли рівняння у фізиці пропонують сингулярність, це означає, що дослідники знехтували якимось іншим ефектом. Рівняння ЗТВ створені для опису Всесвіту. Вони експериментально підтверджені на великих діапазонах. Тому, коли ми розглядаємо субмікроскопічні відстані, ми не повинні надто дивуватися, якщо з'являється сингулярність.
Рівняння ЗТВ Ейнштейна також окреслюють горизонт подій - поверхню, що оточує сингулярність. І на якій віддалений спостерігач вимірює швидкість плину часу, що дорівнює нулю.
Оскільки зазвичай горизонт подій має астрономічні розміри, він, ймовірно, точно моделюється рівнянням Ейнштейна. Але оскільки час зупиняється, з точки зору віддаленого спостерігача, ніяка інформація не покидає горизонт. Отже, ми ніколи не зможемо експериментально з'ясувати, що насправді відбувається там, “за кордоном”.
Квантова механіка говорить нам, що якщо тіло обмежене нульовим об'ємом, то його середній імпульс має бути нескінченним. З нескінченною кінетичною енергією. Рівняння ЗТВ Ейнштейна не враховує квантової механіки, тож це, ймовірно, і є тим ефектом, який фактично перешкоджає утворенню сингулярності.
У фізиці запропоновані десятки теоретичних варіацій на тему квантової гравітації, але вони перевіряються лише за критерієм математичного сенсу та узгодженості із загальною теорією відносності на відповідних масштабах. Не завдяки експериментам чи спостереженням. В тому і вся проблема.
Крім того, необхідно пам’ятати: чорна діра не має маси... принаймні, у звичному ньютонівському розумінні. Хоча й продукує колосальну гравітацію. І це теж велика проблема.
А згідно з теорією, чорна діра може повністю випаруватися через випромінювання Гокінга, яке не залежить від початкового стану самої ЧД. І тут фізика впадає в ступор, бо ми не знаємо, як подолати порушення принципу квантового детермінізму. Вже й інформацію кодували, і видумували залишки чорної діри, і створювали голографічний проєкт на горизонті подій. Навіть говорили про новий вимір простору-часу. Але... парадокс інформації ЧД зберігається — хоча ми впевнені в тому, що матерія нікуди не дівається. Вона не зникає “на зовсім”.
Але зникає. Майже.
Випромінювання Гокінга
Інша гіпотеза припускає, що чорні діри можуть випромінювати характерне випромінювання, відоме як випромінювання Гокінга Про що ми вже сказали. Останні дослідження також вказують на можливий його зв’язок з утворенням нових всесвітів або з просторово-часовими тунелями.
У 1974 році Стівен Гокінг запропонував дивовижне явище, яке відбувається поблизу горизонту подій. На його думку, завдяки квантовим флуктуаціям можуть виникати пари віртуальних частинок, одна з яких має позитивну енергію, а інша - негативну. Якщо частинка з позитивною енергією втікає до відкритого космосу, то частинка з негативною енергією падає в чорну діру. Таким чином ЧД втрачає частину своєї маси та енергії, а частинка, що втікає, стає реальною і спостережуваною. Так виникає випромінювання Гокінга.
Звідси декілька припущень.
- По-перше, воно має тепловий спектр з температурою, обернено пропорційною до маси чорної діри. Тобто менші чорні діри гарячіші та випромінюють більше випромінювання, ніж більші.
- По-друге, таке випромінювання майже “позаінформаційне”, тобто вся інформація про матерію та енергію, які потрапили в ЧД, втрачається.
- По-третє, час життя астрофізичних чорних дір набагато більший, ніж вік Всесвіту.
Що цікаво, деякі експерименти показали, що звукові хвилі можуть затримуватися акустичним горизонтом подій у потоці рідини або конденсатом Бозе-Ейнштейна, створюючи аналог випромінювання Гокінга.
Також припускається, що гамма-сплески пов'язані з випаровуванням первинних ЧД, їх вік — більше ніж 13, 4 млрд років.
У будь-якому разі, чорні діри можуть бути пов'язані з походженням нашого власного всесвіту, де початкова сингулярність насправді є білою дірою, оберненою в часі версією чорної діри, яка вивергає матерію та енергію з іншого всесвіту.
А це означає, що ми живемо в середині чорної діри. Тому звичайний всесвіт для нас здається недоступним, хоча ми його сприймаємо як темну матерію або темну енергію.
