25. Особливості існування і розвитку чорних дір.

Найбільш очевидний шлях утворення чорної діри - колапс ядра масивної зірки. Поки в надрах зірки не виснажився запас ядерного палива, її рівновага підтримується за рахунок термоядерних реакцій (перетворення водню в гелій, потім у вуглець, і т.д., аж до заліза у найбільш масивних зірок). Вирізняється при цьому тепло компенсує втрату енергії, що йде від зірки з її випромінюванням і зоряним вітром. Термоядерні реакції підтримують високий тиск в надрах зірки, перешкоджаючи її стиску під дією власної гравітації. Проте з часом ядерне паливо виснажується і зірка починає стискатися.

Найбільш швидко стискається ядро ​​зірки, при цьому воно сильно розігрівається (його гравітаційна енергія переходить у тепло) і нагріває навколишню його оболонку. У результаті зірка втрачає свої зовнішні шари у вигляді повільно розширюється планетарної туманності або катастрофічно скинутої оболонки найновішої. А доля стискального ядра залежить від його маси. Розрахунки показують, що якщо маса ядра зірки не перевершує трьох мас Сонця, то вона "виграє битву з гравітацією": його стиснення буде зупинено тиском виродженого речовини, і зірка перетвориться на білий карлик або нейтронну зірку. Але якщо маса ядра зірки більше трьох сонячних, то вже ніщо не зможе зупинити його катастрофічний колапс, і воно швидко піде під горизонт подій, ставши чорною дірою. Як випливає з формули для r g, чорна діра з масою 3 сонячних має гравітаційний радіус 8,8 км.

Астрономічні спостереження добре узгоджуються з цими розрахунками: всі компоненти подвійних зоряних систем, що проявляють властивості чорних дірок (у 2005 їх відомо близько 20), мають маси від 4 до 16 мас Сонця. Теорія зоряної еволюції указує, що за 12 млрд. років існування нашої Галактики, яка містить близько 100 млрд. зірок, в результаті колапсу найбільш масивних з них повинне було утворитися декілька десятків мільйонів чорних дір. До того ж, чорні діри дуже великої маси (від мільйонів до мільярдів мас Сонця) можуть перебувати в ядрах великих галактик, в тому числі, і нашою. Про це свідчать астрономічні спостереження, хоча шляхи формування цих гігантських чорних дір не цілком ясні.

Якщо в нашу епоху висока щільність речовини, необхідна для народження чорної діри, може виникнути лише в стискальних ядрах масивних зірок, то в далекому минулому, відразу після Великого вибуху, з якого близько 14 млрд. років тому почалося розширення Всесвіту, висока щільність матерії була всюди . Тому невеликі флуктуації щільності в ту епоху могли приводити до народження чорних дір будь-якої маси, в тому числі і малої. Але найменші з них в силу квантових ефектів повинні були випаруватися, втративши свою масу у вигляді випромінювання і потоків частинок. "Первинні чорні діри" з масою більше 10 12 кг могли зберегтися до наших днів. Найдрібніші з них, масою 10 12 кг (як у невеликого астероїда), повинні мати розмір порядку 10 -15 м (як у протона або нейтрона).

Нарешті, існує гіпотетична можливість народження мікроскопічних чорних дір при взаємних зіткненнях швидких елементарних частинок. Таким є один із прогнозів теорії струн - одній з конкуруючих зараз фізичних теорій будови матерії. Теорія струн пророкує, що простір має більше трьох вимірів. Гравітація, на відміну від інших сил, повинна розповсюджуватися по всіх цих вимірів і тому істотно посилюватися на коротких відстанях. При потужному зіткненні двох частинок (наприклад, протонів) вони можуть стиснутися достатньо сильно, щоб народилася мікроскопічна чорна діра. Після цього вона майже миттєво руйнуватиметься ("випарується"), але спостереження за цим процесом представляє для фізики великий інтерес, оскільки, випаровуючись, дірка випускатиме всі існуючі в природі види часток. Якщо гіпотеза теорії струн вірна, то народження таких чорних дір може відбуватися при зіткненнях енергійних частинок космічних променів з атомами земної атмосфери, а також у найбільш потужних прискорювачах елементарних частинок.