Структура чорної діри
Чорна діра може мати три фізичні параметри: масу, електричний заряд і момент імпульсу. Навколо чорної діри можна побудувати уявну поверхню, з-під якої не може виходити випромінювання, така поверхня називається горизонтом подій. Область простору-часу поблизу чорної діри, розташована між горизонтом подій і межею статичності називається ергосферою[рис2].
(Рис 2) Ергосфера являє собою еліпсоїд поза межами горизонту подій, об'єкти в ньому не можуть знаходитись в стані спокою.
Об'єкти, що знаходяться в межах ергосфери, неминуче обертаються разом з чорною дірою за рахунок ефекту Ленза - Тіррінга. Ергосфера має форму сфероїда, менша піввісь якого рівна радіусу горизонту подій, більша - подвоєному радіусу. В надрах чорної діри кривина сили гравітації сягає нескінченності в області, яка називається сингулярністю. Для чорних дір, які не обертаються, сингулярність має форму точки. Сингулярність чорної діри, яка обертається, має форму кільця.
Властивості чорних дір
Поблизу чорної дірки напруженість гравітаційного поля така велика, що фізичні процеси там можна описувати тільки за допомогою релятивістської теорії тяжіння. Згідно ЗТВ, простір і час викривляються гравітаційним полем масивних тіл, причому найбільше викривлення відбувається поблизу чорних дір. Важливо, що гравітація діє на всі фізичні системи однаково: всі годинники показують, що час уповільнюється, а всі лінійки, що простір розтягується поблизу чорної діри. Це означає, що чорна діра викривляє навколо себе геометрію простору і часу. Далеко від чорної діри це викривлення мало, а поблизу таке велике, що промені світла можуть рухатися навколо неї по колу. Далеко від чорної діри її полі тяжіння в точності описується теорією Ньютона для тіла такої ж маси, але поблизу гравітація стає значно сильніше, ніж пророкує ньютонова теорія.
Якщо б можна було спостерігати в телескоп за зіркою у момент її перетворення на чорну дірку, то спочатку було б видно, як зірка все швидше і швидше стискається, але в міру наближення її поверхні до гравітаційного радіусу стиснення почне сповільнюватися, поки не зупиниться зовсім. При цьому світло, що приходить від зірки, буде слабшати й червоніти поки остаточно не потухне. Це відбувається тому, що, долаючи силу тяжіння, фотони втрачають енергію і їм потрібно усе більше часу, щоб дійти до нас. Коли поверхня зірки досягне гравітаційного радіуса, буде потрібний нескінченний час, щоб досягти будь-якого спостерігача, навіть розташованого порівняно близько до зірки (і при цьому фотони повністю втратять свою енергію). Отже, ми ніколи не дочекаємося цього моменту і, тим більше, не побачимо того, що відбувається із зіркою під горизонтом подій, але теоретично цей процес дослідити можна.
Розрахунок ідеалізованого сферичного колапсу показує, що за короткий час речовина під горизонтом подій стискається в точку, де досягаються нескінченно великі значення щільності і тяжіння. Таку точку називають "сингулярність". Більш того, математичний аналіз показує, що якщо виник горизонт подій, то навіть несферичний колапс приводить до сингулярності. Проте, все це вірно лише в тому випадку, якщо загальна теорія відносності застосовна аж до дуже малих просторових масштабів, в чому поки що немає впевненості. У мікросвіті діють квантові закони, а квантова теорія гравітації ще не створена. Ясно, що квантові ефекти не можуть зупинити стиснення зірки в чорну дірку, а ось запобігти появі сингулярності вони могли б.
Вивчаючи фундаментальні властивості матерії і простору-часу, фізики вважають дослідження чорних дір одним з найважливіших напрямів, оскільки поблизу чорних дір виявляються приховані властивості гравітації. Для поведінки речовини і випромінювання в слабких гравітаційних полях різні теорії тяжіння дають майже невиразні прогнози, проте в сильних полях, характерних для чорних дір, передбачення різних теорій істотно розходяться, що дає ключ до виявлення кращої серед них. У рамках найбільш популярної зараз теорії гравітації – Ейнштейна – властивості чорних дірок вивчені досить докладно. Ось деякі найважливіші з них:
1) Поблизу чорної дірки час тече повільніше, ніж далеко від неї. Якщо віддалений спостерігач кине в бік чорної діри запалений ліхтар, то побачить, як ліхтар падатиме все швидше і швидше, але потім, наближаючись до поверхні Шварцшильда, почне сповільнюватися, а його світло буде тьмяніти і червоніти (оскільки сповільниться темп коливання всіх його атомів і молекул). З точки зору далекого спостерігача ліхтар практично зупиниться і стане невидимий, так і не зумівши перетнути поверхню чорної діри. Але якби спостерігач сам стрибнув туди разом з ліхтарем, то він за короткий час перетнув б поверхню Шварцшильда і впав до центру чорної діри, будучи при цьому розірваний її потужними приливними гравітаційними силами, що виникають через різницю тяжіння на різних відстанях від центру.
2) Яким би складним не було початкове тіло, після його стиснення в чорну дірку зовнішній спостерігач може визначити тільки три його параметри: повну масу, момент імпульсу (пов'язаний з обертанням) і електричний заряд. Всі інші особливості тіла (форма, розподіл щільності, хімічний склад і т. д. ) в ході колапсу "стираються". Те, що для стороннього спостерігача структура чорної дірки виглядає надзвичайно простою, Джон Уілер висловив жартівливим твердженням: "Чорна діра не має волосся".
3) Якщо вихідне тіло оберталося, то навколо чорної діри зберігається "вихрове" гравітаційне поле, що захоплює всі сусідні тіла в обертальний рух навколо неї. Поле тяжіння чорної діри, що обертається, називають полем Керра. Цей ефект характерний не тільки для чорної діри, але для будь-якого тіла, що обертається, навіть для Землі. З цієї причини розміщений на штучному супутнику Землі гіроскоп, вільно обертається, відчуває повільну прецесію щодо далеких зірок. Поблизу Землі цей ефект ледь помітний, але поблизу чорної діри він виражений набагато сильніше: за швидкістю прецесії гіроскопа можна виміряти момент імпульсу чорної діри, хоча сама вона не видима.
Чим ближче ми підходимо до горизонту чорної діри, тим сильніше стає ефект захоплення "вихровим полем". Перш ніж досягти обрію, ми опинимося на поверхні, де воно стає настільки сильним, що жоден спостерігач не може залишатися нерухомим (тобто бути "статичним") щодо далеких зірок. На цій поверхні (званої межею статичності) і усередині неї всі об'єкти повинні рухатися по орбіті навколо чорної діри в тому ж напрямку, в якому обертається сама діра. Незалежно від того, яку потужність розвивають його реактивні двигуни, спостерігач усередині межі статичності ніколи не зможе зупинити свій обертальний рух відносно далеких зірок.
Межа статичності всюди лежить поза горизонту і стикається з ним лише в двох точках, там, де вони обидва перетинаються з віссю обертання чорної діри. Область простору-часу, розташована між горизонтом і межею статичності, називається ергосферою. Об'єкт, що потрапив в ергосферу, ще може вирватися назовні. Тому, хоча чорна діра "все з'їдає і нічого не відпускає", тим не менш, можливий обмін енергією між нею і зовнішнім простором. Наприклад, частки, що пролітають через ергосферу, або кванти можуть забирати енергію її обертання.
4) Всі речовини всередині горизонту подій чорної діри неодмінно падають до її центру і утворюють сингулярність з нескінченно великою щільністю. Англійський фізик Стівен Хоукінг визначає сингулярність як "місце, де руйнується класична концепція простору і часу так само, як і всі відомі закони фізики, оскільки всі вони формулюються на основі класичного простору-часу".
5) Крім цього С. Хоукінг відкрив можливість дуже повільного самовільного квантового "випаровування" чорних дірок. У 1974 він довів, що чорні діри (не тільки ті, що обертаються, але будь-які) можуть випускати речовину і випромінювання, однак помітно це буде лише в тому випадку, якщо маса самої діри відносно невелика. Потужне гравітаційне поле поблизу чорної діри має народжувати пари "частинка-античастинка". Одна з частинок кожної пари поглинається дірою, а друга випускається назовні. Наприклад, чорна діра з масою 1012 кг повинна вести себе як тіло з температурою 1011 К, випромінює дуже жорсткі гамма-кванти та частки. Ідея про "випаровуванні" чорних дір повністю суперечить класичному уявленню про них як про тіла, не здатні випромінювати.