Ловимо темну пляму усією Землею
З найпершої згадки про чорну діру минуло 230 років. Але остаточно довести існування чорних дір вдалося лише в минулому році: зіткнення двох темних матерій рознеслося потужними гравітаційними хвилями по всьому Всесвіту.
З 5 по 15 квітня у людства з'явиться можливість подивитися на гігантську чорну діру в центрі нашої галактики. Команда Event Horizon Telescope (EHT) об'єднає більшість телескопів в одну мережу. І вже 5 квітня Земля перетвориться на один великий телескоп. Потужності такої віртуальної машини вистачить, щоб перерахувати піщинки на Альфа Центавра.
Вчені направлять віртуальний телескоп на незвичайний диск з газу і пилу, за яким можливо ховається надмасивна чорна діра. У цієї чорної діри навіть є ім'я Sigittarius A* (Стрілець А*).
Науковці сподіваються, що «дальнобійності» їхнього віртуального телескопа вистачить, щоб роздивитися чорну діру. Але поки, це викликає сумнів. Стрілець А* знаходиться в самому центрі галактики Чумацький Шлях, у 26 тисячах світлових років від Сонячної системи. 26 тисяч світлових років для більшості людей абстрактна величина, так що розглянемо цю відстань на простому прикладі.
До чорної діри доїдемо?
Щоб підлетіти впритул до потенційної чорної діри, нам буде потрібно пройти 26 тисяч світлових років, а це 2,4*1017 кілометра. Найшвидшим космічним апаратом вважається американська ракета Saturn V. Її максимальна швидкість 64 тисячі кілометрів на годину.
Але, навіть подорожуючи зі швидкістю найшвидшої ракети, людство подолає цю відстань за 3,813 трильйона годин або за 435 мільйонів років. Саме так далеко збираються зазирнути вчені в своїй місії Event Horizon Telescope.
Віртуальна мережа Event Horizon Telescope складається з дев'яти станцій у різних точках Землі. Вчені вже підготувалися до обробки величезної кількості даних. Потужність аналітичної машини Event Horizon Telescope можна порівняти з потужністю 10 тисяч ноутбуків. Незважаючи на всі виробничі потужності машини, фотографії можна буде побачити тільки в 2018 році.
Як ми додумалися до чорних дір
Перша згадка про чорні діри з'явилася ще в 1783 році. Священик з англійського села Торнхілл Мітчелл написав лист до наукового журналу «Філософські праці Лондонського Королівського товариства». У ньому він припустив, що невеликі важкі небесні тіла мають потужні гравітаційні поля.
Світло від такого об'єкта не може розповсюдитися далеко, тому що буде притягатися гравітацією назад. Саме тому його складно побачити. На сьогоднішній день факт існування чорних дір доведений. У людства виникла можливість спостерігати за ними, точніше, за їхнім впливом на навколишні об'єкти і простір.
Згідно з однією з теорій виникнення чорних дір, вважається що вони - лише один із щаблів життєвого циклу зірок. Маленькі зірки перетворюються на білих карликів з щільністю сотні тонн на кубічний сантиметр. З більших зірок виходять нейтронні зірки. У них густина становить мільйони тонн на кубічний сантиметр, а розмір набагато менший.
Але якщо маса зірки була дуже великою, то нейтронна зірка не зупиняє свого стиснення, доки не перетвориться на чорну діру. До речі, якщо стиснути Землю до такої ж густини, вийде кулька діаметром в 9 міліметрів.
Горизонт подій чорної діри
Горизонт подій чорної діри - це її поверхня. Що відбувається всередині, людство так і не знає. Наприклад, космонавт потрапляє за межі горизонту подій, у саму чорну діру. Звідти він ніколи не повернеться. Звідти навіть світло не повертається, куди вже там повернутися цілому космонавту!
Все, що відбувається за горизонтом подій чорної діри, вчені називають сингулярністю. Сингулярність взагалі зручне поняття в науці: якщо вчені чогось не знають, то вони називають це сингулярністю.
Наприклад, технологічна сингулярність - це майбутнє, в якому обчислювальні можливості комп'ютера перевищать можливості людського мозку. Вчені не можуть уявити що трапиться в такому майбутньому, тому вони просто кажуть: технологічна сингулярність. Так само і з чорною дірою.
У 1974 році Ґокінг припустив, що чорні діри не тільки поглинають, а й випромінюють елементарні частинки. За теорією космолога маса чорної діри збільшується на масу поглиненого тіла. Потім чорна діра починає випромінювати фотонні частки, поки не знищить додаткову масу і не повернеться до первинних даних. Але у випадку з космонавтом чорна діра буде випромінювати лише білий шум, який ніяк з цим космонавтом не пов'язаний.
В цьому і було нестикування, що зводило з розуму Ґокінга і весь науковий світ: має бути елементарна прив'язка між двома подіями (поглинанням і випромінюванням). За 30 років додумалися до того, що поверхня чорної діри дублює або реєструє інформацію про поглинений предмет. Тому тепер поглинений космонавт випромінюється не так хаотично.
Космонавт Шредінгера
Але тут виникає конфлікт між стрибкоподібною квантовою фізикою і м'якою, як шовк, загальною теорією відносності. Квантова фізика вимагає, щоб поверхня (горизонт подій) чорної діри була дуже гарячою, як лава. Оскільки на такій обмеженій поверхні необхідно зберігати велику кількість інформації, відбувається постійний рух. Рух піднімає температуру. Звідси і мільярди градусів, що знищують будь-який предмет, який потрапив на площину.
Загальна теорія відносності вимагає зворотнього. Космонавт, який перетнув поверхню чорної діри, не повинен знати про це. Космонавт як летів, так і буде летіти, без лави на поверхні й інших навантажень.
У підсумку для спостерігача зі сторони космонавт згорить, зіткнувшись з поверхнею чорної діри. Для самого космонавта не відбувається нічого, він просто летить. Дані про живого космонавта, що летить, ніяк не вийдуть за межі поверхні чорної діри. Тому що спостерігач вважає, що космонавт згорів. Збираючи випромінювання з поверхні чорної діри, спостерігач навіть зможе розшифрувати передсмертний крик нещасного.
Виходить, що поглинений космонавт і живий, і мертвий. І цьому є наукові підтвердження. Тому вчені прийшли до висновку, що космонавт дублюється. Один гине в безодні лави, і його передсмертний крик чують. Інший просто продовжує мовчки існувати. Саме так і з'явилася ідея Голографічного Всесвіту.
Заглянути в чорну діру: чому так важливо?
Кінцевий результат зйомки чорної діри може нагадувати модуляцію чорної діри, створену режисером Крістофером Ноланом для фільму «Інтерстеллар». Працюючи з астрофізиком Кіпом Торном, режисерові вдалося показати дуже реалістичну модель. Якщо є можливе зображення, навіщо вченим потрібна подібна місія?
«Грунтуючись на загальній теорії відносності Ейнштейна, ми маємо побачити півмісяць світла навколо чорної плями. Це світло випромінюється газом і пилом до того, як чорна діра поглинає їх. Але якщо ми побачимо щось іще?» - розповідає для BBC керівник групи Шеперд Долеман з Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики.
Не варто ставити під сумнів теорію Ейнштейна. Але кожен факт в науці вимагає перевірки, а досі не було жодного візуального підтвердження існування чорних дір. Раптом людство побачить щось, що сильно відрізняється від комп'ютерної симуляції або сподівань? У такому випадку наше уявлення про гравітацію і фізику в цілому доведеться змінити.