5 фактов о чёрных дырах — самых загадочных космических объектах

1. Чёрные дыры получаются из умирающих звёзд

Когда жизнь звезды подходит к концу, с ней может случиться много всего интересного. С одной стороны, у неё есть гравитация, стремящаяся сжать её, а с другой — энергия от ядерных реакций в центре, которая пытается её расширить.

Когда светило исчерпывает своё топливо (водород), ядерные реакции замедляются, а внешние слои звезды оказываются сброшены в космическое пространство. Из-за этого она коллапсирует — то есть уменьшается, не в силах больше противостоять силе собственной гравитации.

Небольшие светила вроде нашего Солнца при этом превращаются в белых карликов — маленькие, но горячие звёздочки. Но здоровенные объекты массой как минимум втрое (а иногда и в десятки и сотни тысяч раз) больше на этом не останавливаются и сжимаются до такой степени, что превращаются в чёрные дыры.

Внутри чёрной дыры находится сингулярность — самый загадочный объект в космосе.

Сингулярность — это сколлапсировавшее ядро звезды, размером ставшее меньше атома, меньше ядра, меньше электрона. Размер её называется планковской длиной — это 1,616255(18) × 10^⁻³⁵ метра. Это примерно стоквинтиллионная от протона, ничего меньше просто не может существовать. При таких масштабах понятия пространства и времени перестают быть применимыми, начинают доминировать квантовые эффекты гравитации.

Вся масса звезды сосредотачивается в одной невероятно малой точке, и гравитация у этой сингулярности оказывается настолько мощной, что из области её притяжения не может вырваться даже свет.

Что в точности из себя представляет сингулярность, мы узнать не можем, потому что она окружена так называемым горизонтом событий. Это не физическая поверхность, а граница, из-за которой никакая частица не сможет вернуться назад. Выглядит она не как дыра, вопреки названию, а как идеально чёрная сфера.

2. Чёрных дыр во Вселенной очень, очень много

Многие считают, что чёрные дыры — пусть разрушительные и пугающие, но весьма редко встречающиеся небесные тела. Однако на самом деле в космосе они попадаются на каждом шагу.

Обнаружить такой объект очень тяжело, потому что одинокая чёрная дыра не производит видимого излучения. Но вот если поблизости от неё есть звёзды, массу которых она поглощает или на орбиты которых может повлиять своей гравитацией, дыра становится видимой. И учёные уже насчитали многие тысячи таких. По оценкам NASA, только в нашей галактике Млечный Путь имеется от 10 миллионов до миллиарда чёрных дыр.

А во всей Вселенной, по прикидкам астрофизиков, их 40 квинтиллионов, или 40 000 000 000 000 000 000. Это примерно 1% от всей нормальной материи в космосе.

Ближайшая к нам чёрная дыра называется Единорогом и находится всего в 1 500 световых годах от Земли. У неё есть спутник — красный гигант, благодаря которому объект и вычислили. Интенсивность света этого гиганта периодически меняется, что позволяет увидеть, как чёрная дыра «оттягивает» часть массы и меняет форму звезды.

3. Чёрные дыры могут быть очень большими или очень маленькими

В зависимости от своей массы эти объекты подразделяются на три основные категории.

Первая — чёрные дыры звёздной массы. Это самые простые и распространённые объекты. Образуются они в результате коллапса массивных звёзд. Их масса может варьироваться от трёх до нескольких десятков солнечных масс. По размеру эти небесные тела сравнительно небольшие, радиусы их горизонта событий могут быть сопоставимы с размерами небольших городов — несколько десятков километров. Упомянутый Единорог как раз к таким и относится.

Вторая категория — сверхмассивные чёрные дыры. Эти гиганты обычно находятся в центрах галактик, включая наш собственный Млечный Путь. Их масса может составлять от миллионов до миллиардов солнечных масс. Они получаются либо из очень древних чёрных дыр, которые поглощают много вещества, либо при коллапсе огромных газовых облаков.

Да, в центре нашей галактики есть сверхмассивная чёрная дыра. Она называется Стрелец A*, и вы сейчас движетесь по орбите вокруг неё. На полный круг уходит примерно 230 миллионов лет.

Размеры сверхмассивных чёрных дыр, таких как Стрелец A* и её сородичей, трудно даже представить. Чтобы сделать это хотя бы примерно, посмотрите это видео — там центральную чёрную дыру в скоплении Феникса сравнивают с нашим Солнцем.

Существует и третья категория — чёрные дыры средней массы. Это относительно новый и менее изученный класс объектов. По размерам они находятся между звёздными и сверхмассивными чёрными дырами. Их масса — от 10 до нескольких десятков масс Солнца. Не особенно понятно, как они образуются, скорее всего, в результате слияния меньших чёрных дыр или в результате коллапса особо плотных звёздных кластеров.

4. Чёрные дыры не вечны

Слияние чёрных дыр. Видео: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) / LIGO / California Institute of Technology

Долгое время учёные полагали, что чёрные дыры должны быть практически вечными объектами, ведь они способны только поглощать материю и излучение, а вот испускать их назад — нет. Но в 1974 году британский физик Стивен Хокинг, используя квантовую теорию поля в искривлённом пространстве-времени, предсказал так называемое испарение чёрных дыр.

Хокинг предположил, что из-за эффектов вакуума вблизи горизонта событий они должны излучать частицы и, следовательно, терять массу со временем. Расчёты показали, что пары квантовых частиц и античастиц могут разделяться. Одна из них падает за горизонт событий, в то время как другая улетает в космос, унося с собой часть энергии и массы чёрной дыры.

Это явление получило название излучение Хокинга.

Из-за хокинговского излучения чёрные дыры постоянно теряют массу, их гравитационное поле ослабевает, а размер уменьшается. Со временем они станут недостаточно массивными, чтобы поддерживать стабильную сингулярность внутри себя, и взорвутся.

Но поскольку отдают энергию эти объекты очень медленно, частица за частицей, испарение их — процесс, мягко говоря, небыстрый. По расчётам, время жизни дыры звёздной массы составит 10^⁶⁷ лет. А сверхмассивный объект массой в 100 миллиардов тонн испарится за 2 × 10^¹⁰⁰ лет! Это несоизмеримо больше возраста нашей Вселенной.

5. Чёрные дыры влияют не только на пространство, но и на время

Эйнштейн, разрабатывая свою теорию относительности, предсказал, что гравитационные поля, создаваемые массивными объектами вроде планет, звёзд или чёрных дыр, искажают пространство и время в их окрестностях. Этот эффект получил название «гравитационное замедление времени».

Да, на поверхности нашей планеты время течёт немного медленнее, чем на борту космической станции. Это доказали экспериментально: атомные часы на спутниках торопятся на 38 наносекунд по сравнению с аналогично настроенными часами на Земле. Поэтому для бортовых хронометров спутников GPS даже приходится делать так называемые релятивистские поправки.

Но у Земли гравитация не очень сильная (и это хорошо). У чёрных дыр же эффекты замедления времени проявляются намного более отчётливо.

Если бы вы совершили полёт по орбите вокруг этого объекта, то по возвращении в области космоса с меньшей гравитацией обнаружили, что там прошло больше времени, чем вы провели в путешествии. Ну, в теории. На практике у вас начнутся очень, очень серьёзные проблемы задолго до того, как вы приблизитесь к эргосфере и уж тем более — к горизонту событий.

Чёрная дыра искривляет пространство и замедляет время вокруг себя. На расстоянии в 10 радиусов Шварцшильда сутки у неё равнялись бы 25,3 часа на Земле. На расстоянии в 1,5 радиуса Шварцшильда — уже 41,6 часа. А у самого горизонта событий сутки длились бы 141 день.

Симуляция падения в чёрную дыру. Видео: Joshuas Mirror / YouTube.com

Указанные расчёты, кстати, справедливы только для невращающейся чёрной дыры. Если же это небесное тело крутится вокруг своей оси, оно может замедлять время ещё сильнее, потому что вместе с ним вращается и пространство. И чем быстрее вращается дыра, тем сильнее замедляется время в её эргосфере.

И да, фанаты «Интерстеллара», простите… но в этой области вокруг чёрной дыры стабильных орбит нет. А следовательно, существование планеты Миллер, на которой день идёт за семь лет на Земле, в реальности невозможно. Её разорвало бы приливными силами либо она упала бы за горизонт событий.