Чорна діра — математично визначена область простору-часу, що демонструє настільки сильне гравітаційне тяжіння, що жодна частинка чи електромагнітне випромінювання (включно зі світлом) не можуть її покинути. Згідно з загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна, достатньо компактна маса може деформувати простір-час, утворюючи чорну діру. Межа області, з якої неможливий вихід, називається горизонтом подій. Хоча перетин горизонту подій має незворотний вплив на об'єкт, сам він локально не має виявлених фізичних ознак. У багатьох відношеннях чорна діра діє як ідеальне чорне тіло, оскільки вона не відбиває світла. Крім того, квантова теорія поля у викривленому просторі-часі передбачає, що горизонти подій випромінюють так зване випромінювання Гокінга зі спектром, характерним для чорного тіла з температурою, обернено пропорційною масі чорної діри. Для чорних дір зоряної маси ця температура становить мільярдні частки кельвіна, що робить її практично неможливою для безпосереднього спостереження.
У загальному розумінні чорна діра може розглядатися як:
Астрономічний об'єкт; Абсолютно чорне тіло; Зруйнована (колапсуюча) зоря.
Типи чорних дір За фізичними властивостями (метриками)
Відповідно до класичної теореми про «відсутність волосся», чорну діру можна повністю описати лише трьома параметрами: масою, електричним зарядом та кутовим моментом(спіном). Проте новітні квантові дослідження (зокрема, гіпотеза «м'якого волосся» Стівена Гокінга) вказує на те, що на мікрорівні ця теорема може бути не зовсім абсолютною. Чорна діра Шварцшильда — сферично-симетрична чорна діра без електричного заряду та обертання. Обертова чорна діра (чорна діра Керра) — чорна діра, що має спіновий кутовий момент, але не має заряду. Заряджена чорна діра (чорна діра Райснера — Нордстрема) — чорна діра, що має електричний заряд, але не обертається. Чорна діра Керра — Ньюмена — чорна діра, що має і заряд, і обертання. — гіпотетична чорна діра, що існує тимчасово як квантова флуктуація простору-часу. Екстремальна чорна діра — чорна діра з максимально можливим електричним зарядом та/або кутовим моментом, сумісним із її масою (або мінімально можливою масою для заданого заряду/спіну). За розміром і масою Мікрочорні діри — (квантові або міні-чорні діри) — гіпотетичні надзвичайно малі чорні діри, для яких критично важливими є квантово-механічні ефекти. Могли виникнути як первинні чорні діри після Великого вибуху Зоряні чорні діри — утворюються внаслідок гравітаційного колапсу масивної зорі. Їхня маса становить від 3 до кількох десятків мас Сонця. Чорні діри середньої маси — об'єкти з масою від сотень до десятків тисяч сонячних мас; проміжна ланка між зоряними та надмасивними чорними дірами. Надмасивні чорні діри — найбільший тип чорних дір, масою від сотень тисяч до мільярдів мас Сонця. Знаходяться в центрах більшості великих галактик.
Конкретні чорні діри Список наймасивніших чорних дір — список чорних дір, відкритих на сьогодні (включно з імовірними кандидатами), упорядкований за спаданням їхньої маси. Показники наведені в одиницях сонячної маси (M☉), що еквівалентно приблизно 2 × 10³⁰ кілограмів.
Інструменти та методи спостереження — орбітальна рентгенівська обсерваторія NASA (працювала у 1995—2012 роках), названа на честь видатного фізика Бруно Россі. Призначений для спостереження за часовими змінами спектрів рентгенівських джерел. Обсерваторія відіграла ключову роль у дослідженні рентгенівських подвійних систем та вперше зафіксувала високочастотні квазіперіодичні коливання (QPOs) гарячої плазми.
Телескоп горизонту подій (Event Horizon Telescope, EHT) — глобальна мережа наземних радіотелескопів, що працюють синхронно за методом радіоінтерферометрії з наддовгою базою (РНДБ). У 2019 та 2022 роках EHT представила перші в історії прямі зображення («тіні») надмасивної чорної діри в центрі гігантської еліптичної галактики Мессьє 87 (M87*) та оприлюднено пряме зображення об'єкта Стрілець A* (Sgr A*) в центрі Чумацького Шляху.
Рентгенівська обсерваторія «Чандра» (Chandra X-ray Observatory) — космічний телескоп NASA, запущений у 1999 році. Завдяки надвисокій роздільній здатності дзеркал він досліджує рентгенівське випромінювання від речовини, що поглинається чорними дірами, а також структуру їхніх релятивістських струменів (джетів). Серед ключових досягнень обсерваторії — виявлення у галактиці М82 нового класу чорних дір середньої маси, які стали перехідною формою в еволюції між об'єктами зоряних масштабів та надмасивними гігантами.
LIGO (лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) — наземний комплекс із двох гігантських інтерферометрів у США. У 2015 році LIGO (спільно з європейським детектором Virgo) вперше в історії зафіксував гравітаційні хвилі, народжені внаслідок злиття двох чорних дір, започаткувавши еру гравітаційно-хвильової астрономії.
Космічний телескоп «Джеймс Вебб» (JWST) — американський орбітальний інфрачервоний космічний телескоп, запущений наприкінці 2021 року. Телескоп здатний фіксувати надслабке інфрачервоне випромінювання від найперших галактик Усесвіту, що дозволило відкрити рекордно старі надмасивні чорні діри на ранніх етапах космічної історії. За допомогою JWST дослідники підтвердили існування надмасивної чорної діри, що активно росте всередині галактики CANUCS-LRD-z8.6, що утворилася всього через 570 мільйонів років після Великого вибуху.
NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) — космічна обсерваторія NASA, яка фокусується на жорсткому (високоенергетичному) рентгенівському випромінюванні. NuSTAR (в межах спільних досліджень з обсерваторією XMM-Newton) у лютому 2013 року завдяки аналізу змін частоти рентгенівського випромінювання корони було вперше точно виміряно швидкість обертання (спін) чорної діри в центрі галактики NGC 1365. У січні 2017 року дані телескопа дозволили астрономам виявити приховані за газопиловими хмарами супермасивні чорні діри в центрі сусідніх галактик NGC 1448 та IC 3639, а також зафіксувати рентгенівське випромінювання безпосередньо позаду чорної діри в Сейфертівській галактиці I Zwicky 1.
XMM-Newton — рентгенівська космічна обсерваторія Європейського космічного агентства (ESA), призначена для дослідження міжзоряних джерел випромінювання та моніторингу активних галактичних ядер. Завдяки великій площі збору фотонів апарат здатний проводити одночасні спостереження об'єктів у рентгенівському, видимому та ультрафіолетовому діапазонах. У лютому 2013 року обсерваторія спільно з телескопом NuSTAR уперше точно виміряла швидкість обертання супермасивної чорної діри в галактиці NGC 1365, підтвердивши моделі викривлення світла екстремальною гравітацією. Крім того, у червні 2021 року в межах масштабного огляду XMM-Newton опублікував результати картографування еволюції 12 000 супермасивних чорних дір.
(Imaging X-ray Polarimetry Explorer) — спільна космічна місія NASA та Італійського космічного агентства (ASI), запущена у 2021 році для вимірювання поляризації космічного рентгенівського випромінювання. Обсерваторія оснащена трьома ідентичними телескопами, які досліджують чорні діри, нейтронні зорі та пульсари. Завдяки унікальній здатності фіксувати поляризацію світла, апарат дає змогу вченим картографувати магнітні поля та визначати точну геометрію найближчого оточення цих екстремальних об'єктів.
Утворення чорних дір Формування чорних дір тісно пов'язане із зоряною еволюцією та гравітаційним колапсом — катастрофічним стисненням масивного тіла під дією власної гравітації.
Основні процеси: Зоряна еволюція — зміна фізичних характеристик, хімічного складу та внутрішньої будови зорі із часом. Гравітаційний колапс — стискання астрономічного об'єкта під дією власної сили тяжіння. Фінальні стадії масивних зірок:
Наднова — масштабний зоряний вибух наприкінці життєвого циклу масивної зорі, енергія якого значно перевищує енергію нової. Після вибуху ядро зорі колапсує. Гіпернова(також відома як наднова типу Ic) — вибух масивної зорі (масою понад 20 мас Сонця), яка руйнується в кінці свого життєвого циклу. Гамма-спалахи — надзвичайно енергійні спалахи гамма-променів, що часто супроводжують утворення чорних дір або злиття нейтронних зірок і спостерігаються у далеких галактиках. Зоряні залишки (Компактні зорі):
Компактні зорі можуть бути як можливими попередниками чорних дір, так і альтернативними варіантами колапсу, залежно від маси залишку.
Білий карлик (виродженний карлик) — невелика зірка, що складається переважно з електронно-виродженої матерії (підтримується тиском вироджених електронів).
Нейтронна зірка — тип зоряного залишку, що виникає внаслідок гравітаційного колапсу масивної зірки під час спалаху наднової (типу II, Ib або Ic). Екзотична зірка — компактна зірка, що складається з чогось іншого, ніж електрони, протони та нейтрони, і врівноважена проти гравітаційного колапсу тиском виродження або іншими квантовими властивостями. Кваркова зірка — гіпотетичний тип екзотичної зірки, що складається з кваркової матерії або дивної матерії. Критичні межі маси зоряного залишку:
Межа Чандрасекара — верхня межа маси, за якої білий карлик може залишатися стабільним (становить приблизно 1,4 маси Сонця). Якщо маса ядра колапсуючої зорі перевищує цю межу, тиск виродженого електронного газу не витримує гравітації, і зоря продовжує стискатися, перетворюючись на нейтронну зорю.
Межа Толмана-Оппенгеймера-Волкова — верхня межа маси для нейтронної зорі (близько 2.5-3 мас Сонця). Якщо маса перевищує цю межу то тиск виродженого нейтронного газу не може компенсувати сили гравітації, що призводить до колапсу в чорну діру.
Властивості чорних дір Анатомія та фізика чорних дір: Акреційний диск — структура (часто навколозоряний диск), утворена дифузною речовиною, що рухається по орбіті навколо масивного центрального тіла. Акреційні диски чорних дір активно випромінюють у рентгенівській та ультрафіолетовій частинах спектра через високу температуру речовини, зумовлену тертям і гравітаційним стисненням. Горизонт подій — межа у просторі-часі, зсередини якої жодна інформація чи об'єкти (включно з квантами світла) не можуть вирватися назовні, щоб вплинути на зовнішнього спостерігача. Радіус Шварцшильда — відстань від центру сферично-симетричного об'єкта, на якій, якби вся маса об'єкта була стиснута всередині цієї сфери, швидкість виходу з її поверхні дорівнювала б швидкості світла. Фотонна сфера — сферична область простору навколо чорної діри, де гравітація настільки сильна, що фотони змушені рухатися по кругових орбітах. Ці орбіти є нестабільними: будь-яке мінімальне відхилення змушує світло або впасти в чорну діру, або залишити її околиці. Ергосфера — область простору навколо обертової чорної діри, розташована між горизонтом подій та межею статичності. У цій зоні простір-час захоплюється обертанням чорної діри (ефект Лензе — Тіррінга), через що жоден об'єкт не може залишатися нерухомим відносно далеких спостерігачів. Ефекти та процеси:
Процес Пенроуза — теоретичний механізм, згідно з яким енергію можна витягти з обертової чорної діри шляхом розпаду фізичного тіла всередині її ергосфери, коли одна з частин падає за горизонт подій, а інша залишає ергосферу з більшою енергією, ніж початкова.
Спагетифікація — вертикальне розтягування та горизонтальне стиснення об'єктів у довгі тонкі форми в дуже сильному гравітаційному полі, що викликається екстремальними припливними силами поблизу чорної діри. Випромінювання Гокінга — гіпотетичне випромінювання чорного тіла, яке, за прогнозами квантової теорії поля, випускається чорними дірами внаслідок квантових ефектів поблизу горизонту подій, що призводить до втрати ними маси.A Brief History of Time, Stephen Hawking, Bantam Books, 1988. Релятивістський струмінь (джет) — потужний і вузькоспрямований потік плазми, що виривається з полярних областей акреційного диска чорної діри на швидкостях, близьких до швидкості світла. Акреція Бонді — модель сферично-симетричної акреції речовини на компактний об'єкт, що рухається через міжзоряне середовище.