Представь место в космосе, откуда нельзя послать наружу ни ракету, ни радиосигнал, ни даже луч света. Не потому, что вокруг стоит стенка. Стенки как раз нет. Просто пространство и время искривлены настолько сильно, что все пути ведут дальше внутрь.
Это и есть первая подсказка к загадке: чёрная дыра — не дыра в привычном смысле. Это область пространства, где огромное количество массы оказалось сжато в очень маленьком объёме, а граница невозврата называется горизонтом событий.
Но почему она чёрная? Как она появляется? Можно ли увидеть то, что не выпускает свет? И правда ли, что чёрная дыра способна «засосать» всю Вселенную?
Разбираемся по порядку — без магии, но с несколькими очень странными эффектами настоящей физики.
Так может выглядеть горячий аккреционный диск вокруг чёрной дыры. Сама чёрная область свет не испускает, а изображение диска искажено сильной гравитацией. NASA Goddard / Jeremy Schnittman, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
Что такое чёрная дыра простыми словами?
Чёрная дыра — это область пространства с настолько сильной гравитацией, что после пересечения определённой границы выбраться наружу уже невозможно даже свету.
Эта граница называется горизонтом событий.
Очень важно не представлять чёрную дыру как космический пылесос, который втягивает всё вокруг независимо от расстояния. Если находиться достаточно далеко, её гравитация действует по тем же законам, что гравитация любого другого объекта такой же массы.
NASA приводит хороший мысленный пример: если бы Солнце каким-то невозможным способом заменить чёрной дырой той же массы, Земля не улетела бы в неё. Она продолжила бы двигаться примерно по той же орбите. Только стало бы очень темно и холодно.
Почему она называется чёрной?
Потому что свет, оказавшийся внутри горизонта событий, не может вернуться наружу.
Обычный предмет мы видим, когда он испускает собственный свет или отражает чужой. Чёрная дыра не даёт свету покинуть область внутри горизонта событий, поэтому непосредственно увидеть её поверхность невозможно — привычной поверхности у неё вообще нет.
Но это не означает, что около чёрной дыры всегда темно.
Наоборот, её окрестности могут быть одними из самых ярких мест во Вселенной.
Если чёрная дыра невидима, почему на картинках вокруг неё огненное кольцо?
Потому что сияет не сама чёрная дыра.
Газ, пыль и вещество звёзд могут вращаться вокруг неё, образуя аккреционный диск. Вещество в диске движется с огромной скоростью, сжимается, нагревается и излучает энергию — в том числе рентгеновское излучение.
Гравитация чёрной дыры искривляет путь света. Поэтому далёкая часть диска может казаться поднятой над и под тёмной областью — будто свет каким-то образом огибает чёрную дыру.
Он действительно огибает её, следуя искривлённому пространству-времени.
Что такое горизонт событий?
Представь реку, которая течёт к водопаду.
Далеко от края ты ещё можешь грести против течения и вернуться. Ближе течение становится сильнее. А теперь вообрази границу, после которой вода движется к водопаду быстрее, чем твоя лодка вообще способна плыть.
Для чёрной дыры такой «границей невозврата» служит горизонт событий.
Он не является твёрдой оболочкой. Там нет стеклянной стены и таблички «вход запрещён». Это математическая граница в пространстве-времени.
После её пересечения все возможные пути будущего ведут внутрь.
Схема окрестностей вращающейся чёрной дыры: аккреционный диск, горизонт событий, область сильного искривления света и джеты. ESO, Wikimedia Commons, CC BY 4.0.
Почему даже свет не может убежать?
Иногда это объясняют так: «у чёрной дыры такая большая скорость убегания, что она превышает скорость света».
Для первого знакомства такая фраза полезна, но общая теория относительности описывает происходящее точнее.
Масса искривляет пространство и время. Чем сильнее гравитация, тем сильнее это искривление. У горизонта событий геометрия пространства-времени становится такой, что направленный «наружу» путь уже не приводит наружу.
Свет при этом всё равно движется локально со своей обычной скоростью — скоростью света. Просто само пространство-время устроено так, что световой луч не может вернуться к далёкому наблюдателю.
Как образуются чёрные дыры?
Один из главных путей образования чёрной дыры связан со смертью массивной звезды.
Большую часть жизни звезда находится в своеобразном равновесии. Гравитация пытается сжать её, а энергия термоядерных реакций создаёт давление, которое сопротивляется сжатию.
Когда топливо в ядре заканчивается, баланс нарушается.
У достаточно массивной звезды ядро начинает стремительно сжиматься. Наружные слои могут быть выброшены в мощном взрыве сверхновой, а оставшееся ядро продолжает коллапсировать.
Если остаток достаточно массивен, известные нам механизмы давления уже не способны остановить сжатие — возникает чёрная дыра звёздной массы.
NASA отмечает, что звёзды примерно от двадцати солнечных масс и выше при определённых условиях могут закончить жизнь таким коллапсом. Но точный итог зависит не только от начальной массы: важны потеря вещества, состав, вращение и взаимодействие с соседней звездой.
Все ли чёрные дыры появились из звёзд?
Нет.
Астрономы обычно говорят как минимум о трёх наблюдаемых группах:
- чёрные дыры звёздной массы — образуются при коллапсе массивных звёзд и при других звёздных процессах;
- чёрные дыры промежуточной массы — тяжелее звёздных, но легче гигантов в центрах галактик;
- сверхмассивные чёрные дыры — имеют массу от сотен тысяч до миллиардов Солнц и находятся в центрах многих галактик.
Как именно первые сверхмассивные чёрные дыры успели вырасти так быстро в молодой Вселенной, до сих пор исследуется. Возможны разные сценарии: быстрый рост более маленьких «семян», слияния и прямой коллапс огромных газовых облаков.
Есть ли чёрная дыра в центре нашей Галактики?
Да.
В центре Млечного Пути находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* — Sagittarius A*. Её масса составляет примерно четыре миллиона масс Солнца.
Но мы не падаем в неё.
Солнечная система находится очень далеко от центра Галактики и движется по своей галактической орбите. Чёрная дыра не «высасывает» звёзды со всей галактики.
Как астрономы находят невидимый объект?
По его влиянию на окружающий мир.
Если невидимый массивный объект заставляет соседнюю звезду двигаться по тесной орбите, можно вычислить его массу.
Если вещество падает к невидимому объекту и разогревается до огромных температур, астрономы видят мощное излучение аккреционного диска.
Если две чёрные дыры сливаются, они создают гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую умеют регистрировать специальные обсерватории.
А ещё можно увидеть так называемую тень чёрной дыры на фоне раскалённого вещества вокруг неё.
Так фотография чёрной дыры существует?
Да — но нужно понимать, что именно на ней изображено.
В 2019 году международный проект Event Horizon Telescope опубликовал первое изображение области вокруг сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87.
На нём виден яркий кольцеобразный источник и тёмная центральная область.
Это не фотография «поверхности» чёрной дыры. Мы видим излучение вещества рядом с ней и тень, связанную с захватом и сильным искривлением света.
Первое изображение тени сверхмассивной чёрной дыры M87*, опубликованное проектом Event Horizon Telescope. EHT Collaboration / ESO, Wikimedia Commons, CC BY 4.0.
Что будет, если попасть в чёрную дыру?
Это один из самых популярных вопросов — и один из самых коварных.
Сначала надо уточнить размер чёрной дыры.
Гравитация ослабевает с расстоянием. Но около компактного объекта разница притяжения между ближней и дальней частью тела может быть огромной.
Если ты падаешь ногами вперёд, ноги оказываются немного ближе к чёрной дыре, чем голова. Значит, они притягиваются сильнее.
Тело начинает вытягиваться вдоль направления падения и сжиматься поперёк.
Этот эффект получил почти шуточное, но вполне научное название — спагеттификация.
Человек превратится в «спагетти» ещё до горизонта?
Зависит от массы чёрной дыры.
У чёрных дыр звёздной массы горизонт событий сравнительно мал, а приливные силы около него чрезвычайно сильны. Объект может быть разрушен ещё до пересечения горизонта.
У сверхмассивной чёрной дыры горизонт событий гораздо больше. На самом горизонте разница в притяжении между головой и ногами может быть значительно слабее, поэтому теоретический путешественник способен пересечь его до того, как приливные силы станут смертельными.
Но хорошей новостью это путешествие всё равно не становится. Обратно уже не вернуться.
Что увидит человек, падающий внутрь?
Здесь начинаются эффекты общей теории относительности.
Для самого падающего наблюдателя его собственные часы идут нормально. Если чёрная дыра достаточно большая и условия подходящие, он может пересечь горизонт событий, не заметив в эту конкретную секунду никакой материальной «стены».
А далёкий наблюдатель увидит другую картину: свет от падающего объекта будет всё сильнее краснеть, слабеть и приходить всё медленнее. Объект будет казаться замедляющимся возле горизонта и постепенно исчезнет из наблюдения.
Это не два противоречащих друг другу рассказа, а проявление того, что измерение времени зависит от гравитационного поля и движения наблюдателя.
Что находится внутри чёрной дыры?
Вот здесь особенно важно не выдавать красивую догадку за установленный факт.
Мы не знаем, какова полная физическая картина внутри чёрной дыры.
Классическая общая теория относительности предсказывает в центре сингулярность — область, где привычное описание приводит к бесконечной плотности и кривизне пространства-времени.
Но слово «сингулярность» скорее показывает границу применимости нашей нынешней теории, чем даёт фотографию реального объекта.
В таких экстремальных условиях должна быть важна квантовая физика, а законченной экспериментально подтверждённой квантовой теории гравитации у науки пока нет.
Поэтому фразы вроде «внутри точно находится туннель в другую Вселенную» относятся к фантастике или гипотезам, а не к установленному знанию.
А червоточина — это чёрная дыра?
Нет.
Червоточины, или кротовые норы, появляются как возможные математические решения в некоторых теориях, но наблюдений, подтверждающих существование проходимых червоточин, нет.
Обычная астрофизическая чёрная дыра не считается доказанным порталом куда-либо.
Чёрная дыра всасывает всё вокруг?
Это один из самых живучих мифов.
Представь объект массой десять Солнц. На большом расстоянии не важно, является ли он звездой или чёрной дырой: при одной и той же массе его притяжение на этом расстоянии будет одинаковым.
Опасность возникает, когда объект подходит достаточно близко.
Поэтому планета может в принципе обращаться вокруг чёрной дыры так же, как вокруг звезды, если имеет устойчивую орбиту и не пересекает опасные области.
Может ли чёрная дыра проглотить Землю?
Известные чёрные дыры находятся слишком далеко, чтобы представлять такую угрозу Солнечной системе.
Сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного Пути тоже не является пылесосом, тянущим нас к себе. Солнце обращается вокруг галактического центра вместе с миллиардами других звёзд.
Чтобы Земля упала в конкретную чёрную дыру, пришлось бы радикально изменить её движение и расположение.
Может ли чёрная дыра стать ещё больше?
Да.
Она может поглощать газ, пыль и звёздное вещество. Чёрные дыры также могут сливаться друг с другом.
Именно такие слияния стали важнейшим способом изучения чёрных дыр после первого прямого обнаружения гравитационных волн от пары сливающихся чёрных дыр в 2015 году.
После слияния образуется одна более массивная чёрная дыра, а часть энергии уходит в виде гравитационных волн.
Почему вокруг некоторых чёрных дыр есть огромные джеты?
На картинках активных галактик иногда видно две гигантские струи, бьющие в противоположные стороны почти со скоростью света.
Важно: вещество этих джетов не вылетает обратно изнутри горизонта событий.
Джеты возникают во внешней области системы — там, где горячее вещество, магнитные поля и вращение около чёрной дыры создают сложнейшую космическую машину.
Часть падающего вещества не успевает пересечь горизонт и может быть ускорена вдоль оси вращения.
Может ли чёрная дыра испариться?
Согласно квантовой теории полей в искривлённом пространстве-времени, чёрные дыры должны очень медленно терять энергию через процесс, называемый излучением Хокинга.
Для обычных астрофизических чёрных дыр этот процесс невероятно слаб. В нынешней Вселенной они поглощают окружающее излучение эффективнее, чем теряют массу таким способом.
Теоретическое полное испарение большой чёрной дыры заняло бы время, несравнимо больше нынешнего возраста Вселенной.
Что такое «размер» чёрной дыры?
Поскольку у неё нет твёрдой поверхности, под размером обычно имеют в виду размер горизонта событий.
Для невращающейся чёрной дыры радиус горизонта прямо пропорционален массе.
У чёрной дыры массой Солнца соответствующий радиус был бы всего около трёх километров. У объекта в десять солнечных масс — примерно три десятка километров.
Сверхмассивные чёрные дыры тяжелее в миллионы и миллиарды раз, поэтому их горизонты могут быть огромными.
Почему M87* выглядит больше, чем чёрная дыра в центре Млечного Пути?
Чёрная дыра M87* намного дальше от нас, но она и намного массивнее — миллиарды масс Солнца.
Стрелец A* значительно ближе, но его масса «всего» около четырёх миллионов солнечных.
Обе удалось исследовать Event Horizon Telescope — сетью радиотелескопов по всей Земле, работающих как один виртуальный телескоп планетарного масштаба.
Можно ли провести домашний опыт с чёрной дырой?
Настоящую — разумеется, нет. Но один эффект можно показать на модели.
Возьми натянутую эластичную ткань и положи в центр тяжёлый шар. Ткань прогнётся. Если пустить рядом маленький шарик, его траектория искривится.
Такую модель часто используют, чтобы показать идею искривления пространства.
Но у неё есть недостаток: шар проваливает ткань вниз благодаря земной гравитации, тогда как реальное пространство-время не «проваливается» в какой-то внешний низ. Поэтому это лишь наглядная аналогия, а не настоящая модель общей теории относительности.
Пять мифов о чёрных дырах
Миф 1. Чёрная дыра — пустая дырка.
Нет. Это область с огромной концентрацией массы и особой структурой пространства-времени.
Миф 2. Она засасывает всё во Вселенной.
Нет. Далеко от неё гравитация подчиняется тем же законам, что у других объектов той же массы.
Миф 3. Чёрную дыру невозможно обнаружить.
Сам горизонт не светится, но астрономы наблюдают движение звёзд, горячее вещество, гравитационные волны и тень чёрной дыры.
Миф 4. Аккреционный диск находится внутри чёрной дыры.
Нет. Светящийся диск расположен снаружи горизонта событий.
Миф 5. Учёные точно знают, что в самом центре.
Нет. Классическая теория предсказывает сингулярность, но полное описание внутренности требует физики, которой у нас пока нет.
Коротко: что такое чёрная дыра?
- Это не «космическая дырка», а чрезвычайно компактный массивный объект и область сильно искривлённого пространства-времени.
- Граница, после которой нельзя вернуться наружу, называется горизонтом событий.
- Чёрная дыра сама не видна, потому что свет изнутри горизонта не выходит.
- Мы обнаруживаем её по воздействию на звёзды, газ и свет, а также по гравитационным волнам.
- Чёрные дыры звёздной массы могут возникать после коллапса массивных звёзд.
- В центрах многих галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.
- При близком падении приливные силы способны растянуть объект — это называется спагеттификацией.
- Что именно происходит в глубине за горизонтом событий, наука пока не может описать окончательно.
Загадка напоследок
Мы привыкли думать: чтобы что-нибудь увидеть, нужно дождаться света от самого объекта.
Чёрная дыра делает наоборот. Она не присылает нам свет из-за горизонта событий — и всё же выдаёт себя движением звёзд, искривлением лучей, раскалённым газом и дрожью самого пространства-времени.
Получается, астрономы умеют изучать даже то, что по определению нельзя увидеть напрямую.
И следующий вопрос становится ещё страннее: если гравитация способна искривлять свет около чёрной дыры, может ли обычная звезда или галактика тоже работать как гигантская линза? Может — и именно так учёные находят далёкие объекты, которые иначе были бы слишком слабыми.
Читайте также
- Что такое северное сияние и как оно появляется?
- Откуда берётся радуга?
- Почему идёт дождь?
- Что живёт на самом дне океана?
Источники для фактчекинга
- NASA Science — Black Holes: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/
- NASA Science — Anatomy of a Black Hole: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/anatomy/
- NASA Science — Types of Black Holes: https://science.nasa.gov/universe/black-holes/types/
- NASA Science — What Happens When Something Gets Too Close to a Black Hole?: https://science.nasa.gov/universe/what-happens-when-something-gets-too-close-to-a-black-hole/
- NASA Space Place — What Is a Black Hole?: https://spaceplace.nasa.gov/black-holes/en/
Источники иллюстраций
- Black hole's accretion disk — NASA Goddard / Jeremy Schnittman: Wikimedia Commons.
- Black hole — Messier 87 — Event Horizon Telescope Collaboration / ESO: Wikimedia Commons.
- Anatomy of a Black Hole — ESO: Wikimedia Commons.
