Про те, як сучасна наука уявляє чорні діри та доводить їхнє існування, в ефірі лекторію «Амфітеатр» радіостанції «UA: Українське радіо «Культура»» розповів учений-астроном і популяризатор астрономії, автор науково-популярного YouTube-каналу «Все про Всесвіт», виконувач обов’язків завідувача лабораторії методологічного та інформаційного забезпечення освіти і науки астрономічної (МІЗОН-А) Головної астрономічної обсерваторії НАН України Іван Крячко.
«Загадковість усіх об’єктів дослідження астрономії – навіть темної матерії та темної енергії – тьмяніє на тлі чорних дір, – говорить Іван Крячко. – Сама назва – «чорна діра» – вказує на те, що, по-перше, об’єкт не надається до прямих спостережень, його неможливо побачити візуально, а по-друге, все, що туди провалюється, зникає назавжди.
Сьогодні виокремлюють три типи чорних дір – чорні діри зоряної маси, чорні діри середньої маси та надмасивні чорні діри. Коли зорі, приблизно у 10–30 разів важчі за наше Сонце, спалахують як наднові, їхні центральні частини – ядра, – навпаки, стискаються, внаслідок чого утворюються чорні діри зоряної маси. Такі об’єкти зазвичай є компонентами подвійних зоряних систем. Наше Сонце, врешті-решт, перетвориться на білого карлика, бо має не настільки велику масу, щоб закінчити своє життя як чорна діра. Чорні діри надвеликої маси (або ж надмасивні чорні діри), як від 1960-х років – часу відкриття квазарів – вважають сучасні астрономи, лежать у центрах більшості галактик Всесвіту, зокрема й нашої Галактики. Найзагадковішою для спостережень залишається проміжна група – чорні діри середньої маси (масою від 100 до 100 тисяч сонячних мас). Визначити їхнє приблизне розташування можна за спалахом рентгенівського випромінювання на доти спокійній ділянці зоряного неба, який свідчить про те, що чорна діра середньої маси поглинула зорю, котра «необачно» до неї наблизилася. Ще один доказ реальності таких чорних дір – реєстрація гравітаційних хвиль. Одне з нещодавніх великих наукових відкриттів полягало в реєстрації гравітаційних хвиль від злиття двох чорних дір, яке призвело до утворення чорної діри масою 142 маси Сонця.
…Уперше припущення про об’єкти, з яких не може вийти світло, висловив англійський аматор астрономії Джон Мітчелл у 1783 році. Він називав їх «темними зорями». Про це ж писав відомий французький математик, астроном і філософ П’єр-Симон Лаплас в одній зі своїх науково-популярних книг, яка побачила світ наприкінці XVIII століття. Цікаво, що за життя вченого вона перевидавалася п’ять разів, але загадкові об’єкти згадувалися лише в перших двох її виданнях. Річ у тім, що тогочасні фізики визначили світло як хвилю, і було не зовсім зрозуміло, як хвиля взаємодіє із силою тяжіння. Тож на понад 100 років про темні зорі забули і повернулися до них лише після опублікування «Загальної теорії відносності» Альберта Айнштайна у 1915 році. Одним із перших став німецький астрофізик Карл Шварцшильд, розв’язавши рівняння в Айнштайновій теорії та показавши: чорна діра справді може «замикатися», тобто бути настільки масивною, що її не може покинути світло, яке рухається з найбільшою у Всесвіті швидкістю – 300 тис. км/год. Проте лише у 1960-х роках стало зрозуміло, що такі об’єкти справді можуть існувати. Назву «чорна діра» запропонував на їх позначення Джон Вілер 1967 року.
Спершу дослідженням чорних дір займалися фізики-теоретики, та з часом постала необхідність підтвердити теоретичні висновки результатами спостережень. Оскільки чорні діри невидимі, то, аби їх знайти, слід дивитися на щось, що можна побачити. Наприклад, на подвійні зоряні системи, один із компонентів яких є невидимим, а отже, з високою ймовірністю, це – чорна діра. Єдине, що потрібно знати про такий об’єкт, – його масу. Завдяки теоретичним розрахункам було також відомо, що в подвійній зоряній системі речовина має перетікати із зорі на чорну діру, рухаючись із великою швидкістю та виділяючи при цьому велику кількість енергії, а саме – рентгенівського випромінювання.
 Ілюстративне зображення взаємодії зорі та чорної діри у подвійній зоряній системі (джерело: youtube.com) |
Спостереження цього процесу уможливив лише запуск на орбіту Землі рентгенівських телескопів. Адже рентгенівське випромінювання, по-перше, невидиме для звичайних телескопів, а по-друге, не проходить крізь атмосферу нашої планети, тому спостерігати його з її поверхні було б неможливо навіть за допомогою рентгенівських телескопів.
1970 року за допомогою рентгенівського супутника було знайдено подвійну систему Лебідь Х-1 (Cygnus X-1), розташовану в сузір’ї Лебедя, що у смузі Чумацького Шляху. Це дуже потужне джерело рентгенівського випромінювання, невидимий компонент якого, з огляду на свою масу, претендує на звання чорної діри.
 Фотографія об’єкта Лебідь Х1 (найяскравіша точка поблизу центру знімка; джерело: noao.edu) |
 Схема розташування на зоряному небі сузір’я Лебідь і об’єкта Лебідь Х-1 (джерело: pinterest.com) |
 Об’єкт Лебідь Х-1, знятий космічним телескопом «Чандра» (фото: nasa.gov) |
2019 року, майже за 240 років від перших припущень про «темні зорі», за допомогою цілої системи радіотелескопів вдалося побачити тінь чорної діри.
 Фотографії тіні надмасивної чорної діри в центрі галактики М 87 (ліворуч; джерело: eso.org) і її (чорної діри) магнітного поля (праворуч; джерело: eventhorizontelescope.org) |
Що відбувається з об’єктом, який потрапляє всередину чорної діри? За горизонтом подій він назавжди зникне і, скоріш за все, загине (якщо це жива істота), проте ззовні здаватиметься, що об’єкт зупинився на горизонті подій, а його падіння можна буде спостерігати до нескінченності. Тобто у своїй системі координат об’єкт, звісно, падатиме, однак для зовнішнього спостерігача час зупиниться. Це яскравий приклад відносності часу.
Поширений стійкий міф, що чорна діра розриває об’єкт, який наближається до горизонту подій, розтягуючи його, наче локшину, але це не зовсім так. До великих, масивних чорних дір об’єкт може проникнути, не будучи знищеним. Чорні ж діри невеликих розмірів витягують об’єкт за рахунок припливних сил, які по-різному діють на різні його кінці.
 Схема будови чорної діри (джерело: istockphoto.com) |
Те, що існує за горизонтом подій чорної діри, теоретики називають сингулярністю. Це абстрактний науковий термін на позначення чогось такого, що має неймовірно велику масу і не має розміру. До того ж, там не діють класичні фізичні закони і навіть теорія Айнштайна. Й оскільки сингулярність є об’єктом мікрорівня, то до чорних дір варто застосовувати квантову фізику, зокрема теорію квантової гравітації (тобто гравітації об’єкта великої маси та нескінченно малих розмірів), якої, однак, досі не створено. Тому про те, як виглядають «нутрощі» чорної діри (як «просторова піна» абощо) і чи є там узагалі простір як єдине ціле, наразі можна тільки здогадуватися.
У масовій культурі доволі популярний іще один міф – про чорні діри як кротовини, тунелі, якими можна рухатися крізь простір-час у межах нашого Всесвіту або з одного всесвіту в інший у межах гіпотетичного мультиверсуму. Проте, за сучасними науковими уявленнями, чорні діри насправді нікуди не ведуть, а сингулярність – найдальша межа, до якої можна дійти. Адже уявні кротовини розривали би тканину нашого простору-часу, для чого додатково знадобилася б якась неймовірно потужна сила. Вони, до того ж, мали б дуже швидко закриватися, а їхнє підтримання потребувало би специфічних умов. За словами відомого фізика-теоретика, нобеліата 2017 року Кіпа Торна, сучасна фізика загалом не забороняє утворення кротовин, однак переважна більшість фізиків вважають неможливими подорожі в часі, якими мало б супроводжуватися використання кротовин (саме завдяки розриву тканини простору-часу), якби вони справді існували. Крім того, логічним наслідком існування таких гіперпросторових переходів було б явище так званих «білих дір». Адже якщо на одному кінці тунелю між двома чорними дірами світло поглинається, то на іншому мало б яскраво «вихлюпуватися». Ми ж досі нічого подібного у нашому Всесвіті не спостерігали.
Яка доля чекає на чорну діру? Тривалий час вважалося, що вона вічна, бо ніщо не може її покинути. Проте британський астрофізик Стівен Гокінґ припускав, що чорні діри випаровуються: поблизу них з’являються так звані віртуальні частинки, які за рахунок дії припливних сил можуть як потрапляти всередину чорної діри, так і віддалятися від неї, стаючи реальними частинками, що відбирають частину енергії, а отже, й маси чорної діри. Відбувається таке випаровування надзвичайно повільно, температура об’єкта зростає, а закінчується процес колосальним вибухом. Отоді чорну діру і можна буде побачити».