Действительно, что может быть более впечатляющего, чем объект, своей плотностью и массой настолько искажающий гравитацию, что даже свет не может его покинуть? Вся материя во Вселенной или светится, или отражает свет, но не чёрные дыры. Они оправдывают своё зловещее название, потому что выглядят, как буквально беспросветные пятна мрака в космосе.
О чёрных дырах более-менее знают все. Но что они на самом деле из себя представляют, как они появляются и опасны ли они для Земли известно немногим.
История открытия
В 2019-ом году весь мир облетели кадры странного объекта, который проект Event Horizon Telescope снял в галактике Messier 87.
Эта фотография, пусть и не очень детализированное, было первым настоящим изображением чёрной дыры, полученным человечеством и подтверждением существования пресловутого “горизонта событий”, вынесенного в название телескопа и всего проекта.
Но история исследования этих космических феноменов уходит далеко в прошлое. Не только на десятилетия, но и на века, о чем знают далеко не все.
Впервые идею о космическом теле с такой массой, что гравитация не даст свету его покинуть, высказал английский священник и исследователь Джон Мичелл в 1783-м году.
Некоторую известность эта теория получила благодаря французскому ученому Пьеру-Симону де Лапласу, который упомянул её в своих научных трудах в 1796-м году.
Тем не менее, до 1915-го года данная теория не особо привлекала внимание учёных. Дело в том, что скорость света долгое время не была фундаментальной и критически важной для физики единицей.
Лишь после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал свою Специальную Теорию Относительности (СТО), она оказалась невероятно значимой для всего понимания физики. Дело в том, что согласно её постулатам, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме.
Дальше изучение космоса и теоретическая физика стремительно развивались. Новые достижение в математике, астрономии, космонавтике не только подогревали интерес, но и предоставляли новые инструменты для решения проблем и поиска ответов.
В 1967-ом году термин “чёрная дыра” официально и прочно вошёл в обиход благодаря лекциям американского физика-теоретика Арчибальда Уилера.
Многие другие выдающиеся учёные последовали его примеру, и закрепили этот термин в своих работах: Алексей Старобинский, Яков Зельдович, Стивен Хокинг, Иаков Бекенштейн и другие.
Структура чёрной дыры
Чёрную дыру саму по себе изучать невозможно. Дело в том, что она представляет собой область пространства-времени со столь высоким гравитационным притяжением, что ни один объект не может её покинуть, даже двигаясь со скоростью света.
И так как ничего быстрее скорости света нет, то увидеть что-либо внутри неё или получить оттуда какой-либо сигнал невозможно. Учёные могут лишь строить математические модели и анализировать космос вокруг чёрной дыры.
Чтобы лучше представить, как такое возможно и что из себя они представляют, следует рассмотреть хрестоматийный образец, смоделированный Шварцшильдом. Это упрощенная модель коллапсара. Она представляет собой симметричную сферу с единственной характеристикой – массой.
Внутри фотонной сферы находится тёмная область, называемая «горизонт событий». Именно о ней обычно и думают, когда говоря о чёрных дырах. Всё, что попадает в неё, уже никогда не сможет преодолеть гравитационное притяжение и стать видимым для космоса.
И так как ни информация, ни что-либо ещё также не могут быть быстрее скорости света, то для внешнего наблюдателя, например, для астрофизика или нас с вами, всё что попало в чёрную дыру, уже никак не может повлиять на остальную Вселенную или взаимодействовать с ней.
Все возможные события, которые происходят в черной дыре, словно оказываются за «горизонтом» для остального мира, что и дало название термину. Его автором является американский физик-релятивист Вольфганг Риндлер.
В самом центре находится та самая «гравитационная сингулярность». Это точка в пространстве-времени с бесконечно сильным искривлением. Её невозможно наблюдать напрямую, так она находится за горизонтом событий, а потому её существование можно исследовать и моделировать лишь теоретически.
Визуализация полного оборота вокруг чёрной дыры и её аккреционного диска по пути, перпендикулярному диску.
Радиогалактика Живописец A, виден джет рентгеновского излучения (синий) длиной 300 тыс. световых лет, исходящий из сверхмассивной чёрной дыры.
Всё, что попадает за горизонт, неизбежно оказывается в сингулярности, и там, где не действуют привычные законы природы, перестаёт существовать в доступном нашему воображению и пониманию виде.
Происхождение
Разумеется, у многих возникает вопрос, откуда могли взяться такие странные космические тела. Они, как иногда кажется, существуют только для того, чтобы опровергать наши представления о реальности или подтверждать самые смелые научные теории.
Хотя единого гарантированного ответа нет, в современной астрофизике выделяют четыре вида чёрных дыр и причин их возникновения:
- сверхмассивные. Это чёрные дыры, которые находятся в центрах галактик, в том числе в Млечном Пути. Именно такая изображена на знаменитом снимке 2019-го года. Их масса в миллиард раз больше, чем у солнца. Точная причина их происхождения неизвестна. Согласно одной теории, они являются звездными чёрными дырами, которые разрослись, поглощая окружающее вещество. Согласной другой, в них превращаются плотные скопления нескольких звезд или газовые облака, под действием гравитации сколлапсировавшие и сжавшиеся до невероятной плотности.
- звездные. Это самая «популярная» версия. Это бывшие звезды огромной массы (в 20-40 раз больше, чем у Солнца), которые на последних этапах своей эволюции коллапсировали и сжались до крохотных размеров. Также к ним относятся нейтронные звезды, которые достигли слишком большой массы газа, притянутого к ним.
- реликтовые. Этот тип является больше гипотезой, и они пока не были обнаружены в космосе. Согласно теориям учёных, это самые маленькие и самые древние из чёрных дыр, возникшие вскоре после Большого Взрыва, не из массивных звёзд, а из сверхплотной материи в тот момент, когда Вселенная только расширялась.
- квантовые. Эти чёрные дыры тоже являются теорией, куда более новой. Как понятно из названия, они связаны с квантовой физикой. Они невероятно малы, но при этом невероятно плотны. Их масса в сто тысяч раз меньше одного грамма! Предполагается, что они могут возникать при ядерных реакциях.
Вопросы
Разумеется, тематика чёрных дыр очень сложна для понимания. Она вызывает множество вопросов у самых выдающихся учёных, чего уж говорить о простых людях, не потративших десятки лет на изучение передовых областей физики. Из-за этого существует множество заблуждений и предрассудков на их счёт.
Как известно, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, но уже давно существуют теории, как научные, так и сугубо фантастические, о «кротовых норах», которые соединяют разные точки пространства, словно коридор. Легче всего их представить, сложив пополам листок бумаги и проткнув его насквозь. Кротовая нора необязательно является чёрной дырой, и наоборот. Чёрная дыра всегда обладает горизонтом событий, но необязательно связывает разные точки пространства-времени вместе, а кротовая нора, наоборот, всегда соединяет, но необязательно обладает горизонтом. К сожалению или к счастью, пока ученые имеют лишь теоретические обоснования для них, но никаких зарегистрированных объектов подобного рода в космосе.
Каждый раз, когда учёные сообщают о находке очередного коллапсара, многие невольно задаются вопросом, угрожает ли он нам. К счастью, на это есть точный ответ: нет. Чёрные дыры опасны лишь в непосредственной близости от них, а вокруг Земли их нет на сотни световых лет. Из-за их массы и воздействия на свет, учёные бы давно заметили одну из них, будь она в опасной близости.
Когда запускали Большой Адронный Коллайдер, некоторые высказывали опасения, что он может создать чёрную дыру и погубить всех нас. И, действительно, выше рассказано про квантовые чёрные дыры. Но опасаться их тоже не стоит. Дело в том, что они были бы настолько малы, что она бы исчезла бы меньше, чем через долю секунды, если верить расчётам Стивена Хокинга. И даже если бы она не исчезла, и осталась бы на Земле, то из-за своих крохотных размеров на нанесение хоть какого-то значимого ущерба планете уйдут сотни миллиардов лет – намного больше, чем планета существует сама по себе.
Это невероятно сложно сделать, и, вероятнее всего, человек никогда не будет взаимодействовать с этими космическими монстрами напрямую. Тем не менее, у учёных есть теория того, что произойдёт, но ответ очень сложен и зависит от перспективы. Для внешнего наблюдателя попавший в чёрную дыру человек растянется по горизонтали и сплющится по вертикали, а затем сгорит в радиоактивном излучении на горизонте событий. Тот же, кто падает, будет воспринимать всё свое бытие как бесконечно растянувшийся момент во времени, без возможности вернуться назад, за горизонт. В любом случае, опыт малоприятный.
Так как чёрной дырой обычно называют итоговую стадию эволюцию сверхмассивных звёзд, то многим кажется, что это конец и дальше ничего нет. Это не так. Стивен Хокинг выяснил, что чёрные дыры не вечны и у них есть особое излучение, названное в честь него. Когда у чёрной дыры не остается массы вокруг для поглощения, она погибает с невероятно яркой вспышкой.
Чёрные дыры заслуженно являются любимицами писателей научной фантастики, потому что сложные теории и многочисленные загадки позволяют представить самые невероятные сюжеты. Например, что чёрные дыры могут быть воротами-червоточинами в параллельные Вселенные. За эту идею выступал Стивен Хокинг, оперируя тем, что в квантовой физике информация никогда не уничтожается, но если даже чёрные дыры не вечны, то информация должна куда-то передаваться, например, в альтернативную вселенную. Но эта гипотеза остается лишь гипотезой, которую невозможно проверить. Поэтому пока ответ: возможно, но маловероятно.
