Пространство с чрезвычайно сильной гравитацией, которое не может покинуть даже свет — это и есть черная дыра. Разбираемся, что представляет собой явление, какие виды черных дыр существуют, как они выглядят и сколько их насчитывается в нашей галактике.
Из статьи вы узнаете, что творится внутри черной дыры и что произойдет, если в нее вдруг упасть. Изучим теории исследователей — от испарения по Хокингу до идей о мостах в иные измерения.
Главное о черных дырах
Собрали ключевую информацию в одном разделе.
Черная дыра — область с невероятно мощной гравитацией, которую не под силу преодолеть даже свету.
Горизонт событий — точка невозврата для любого объекта, а дальше — сингулярность, где перестают работать привычные физические законы.
Черные дыры бывают разных типов: сверхмассивные, звездной массы, первичные и средней массы.
Первое фото черной дыры появилось в 2019 году.
Млечной Путь может скрывать до миллиарда черных дыр, а самая массивная, Стрелец A*, сопоставима с массой четырех миллионов Солнц.
Самая большая черная дыра — Phoenix A с массой до 100 млрд Солнц.
Попадание в черную дыру приведет к «спагеттификации», но, возможно, и к перемещению в пространстве.
Теории Хокинга, кротовых нор и другие пытаются объяснить тайны черных дыр, но пока они так и остаются загадкой.
Что такое черная дыра: суть и природа феномена
Черная дыра — пространство с чрезвычайно сильной гравитацией, которое не может покинуть даже свет. Она возникает, когда массивная звезда «умирает» и сжимается до невероятно плотной точки — сингулярности. Вся масса становится сосредоточена в бесконечно малом объеме. Вокруг этой точки формируется невидимая граница, которую называют горизонтом событий. За ним начинается зона невозврата. Если что-то попадет за него, обратного пути уже не будет.
Черные дыры не «засасывают» материю, как в фантастических фильмах. Они притягивают объекты, как любое массивное тело.
Чтобы сформировать черную дыру, нужно сжать объект до определенного размера. Этот показатель зависит от массы объекта и называется радиусом Шварцшильда. Например, если уплотнить Солнце до шара с радиусом примерно три километра (при нынешних 700 тысячах), на его месте возникнет черная дыра.
Черные дыры не отражают свет, поэтому их невозможно увидеть напрямую. Ученые замечают их по влиянию на окружающие объекты: звезды и газ нагреваются при падении в черную дыру и дают яркое излучение. По нему астрономы и находят этих гигантов.
«Несмотря на грозное название, черные дыры могут быть не такими уж и «черными». Если посмотреть на черную дыру в рентгеновском или радиодиапазоне, она может быть ярче тысячи галактик сразу.
Как это возможно? Виноват не сам объект, а то, что вокруг него. По мере того, как вещество падает на черную дыру, оно разгоняется до околосветовых скоростей и разогревается до миллионов градусов. Это создает ярчайший аккреционный диск — гигантскую светящуюся воронку, которую видно на миллионы световых лет.
Иногда черная дыра испускает часть материи в виде релятивистских струй — джетов, которые пронизывают космос. Они настолько мощные, что могут влиять на эволюцию всей галактики, в которой находится черная дыра, как будто бы она управляет ее жизнью из центра.
Так что, вопреки мифам, черные дыры — это не только объекты, из которых ничего не вырывается. Иногда они превращаются в самые яркие маяки во Вселенной», — рассказал автор научно-познавательного проекта Cosmos+ Артем Буц.
Виды черных дыр во Вселенной
Существует несколько видов черных дыр в зависимости от размера — от крошечных с массой в несколько Солнц до великанов в миллиарды раз тяжелее. Выделяют три основных типа, но предполагается, что существует и четвертый вид.
Сверхмассивные черные дыры
Это космические «тяжеловесы» с массой в несколько миллиардов масс Солнца. Такие гиганты обычно встречаются в центрах галактик. Например, в сердце Млечного Пути скрывается черная дыра Стрелец A*. Она в четыре миллиона раз массивнее Солнца.
Считается, что сверхмассивные формируются путем слияния меньших черных дыр и поглощения огромного количества вещества.
Черные дыры звездной массы
«Средний класс» черных дыр с массой в несколько единиц масс Солнца. Они рождаются, когда топливо звезды выгорает, и они коллапсируют. Если такие объекты находятся в двойных звездных системах, они начинают «воровать» материал у своего соседа. Предполагается, что только в Млечном Пути таится около миллиарда черных дыр звездной массы.
Черные дыры средней массы
Такие объекты — редкость. Их масса составляет от 10 до десятков тысяч масс Солнца. Они могут быть «переходным звеном» между черными дырами звездной массы и сверхмассивными. Их появление связывают со слиянием черных дыр звездной массы и столкновениями массивных звезд. Выявлено более трехсот кандидатов в подобные черные дыры.
Первичные черные дыры
Гипотетические объекты, образовавшиеся в первые мгновения после Большого взрыва. Их масса может быть совсем небольшой по космическим меркам и сопоставима с астероидом. Ученые пока не нашли доказательств их существования, но они могут быть частью темной материи.
Как выглядит черная дыра: фото явления из космоса
Ученые впервые получили снимок черной дыры в 2019 году. На историческом кадре запечатлен объект в галактике M87. На снимке виден яркий кольцевидный аккреционный диск из раскаленного газа, окружающий темную область — тень черной дыры.
Это область, где свет искривляется гравитацией. Сверхмассивная черная дыра M87 весит примерно как шесть миллиардов Солнц. В ее горизонт событий поместилась бы вся Солнечная система.
В 2022 году астрономы показали изображение Стрельца A*. Оно менее четкое из-за пыли и газа, но все равно впечатляет. Черная дыра выглядит как темное пятно, окруженное огненным кольцом.
Изображение сделано при помощи радиотелескопов, которые улавливали электромагнитные волны газа, вращающегося вокруг черной дыры.
Сколько черных дыр в нашей галактике — Млечном пути
В центре Млечного Пути расположилась сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, но она не единственная. Точное число черных дыр в галактике неизвестно.
Ученые рассчитали, что вокруг может находиться до 100 миллионов черных дыр звездной массы, а по максимальным оценкам — до миллиарда. Эти цифры основаны на количестве массивных звезд, которые со временем коллапсируют. Однако обнаружить их сложно: многие черные дыры «спят», то есть не поглощают материю, и поэтому не излучают сигналов.
Самая большая черная дыра во Вселенной
Черная дыра Phoenix A настолько огромна, что затмевает другие известные на данный момент объекты. Ее масса составляет до 100 миллиардов масс Солнца. Обнаружили гиганта благодаря его невероятной активности. Астрономы сначала зафиксировали мощные всплески радиоволн, а затем измерили скорость движения звезд вокруг центра галактики — они неслись с настолько высокой скоростью, что лишь сверхмассивная черная дыра могла их так разогнать.
Предполагается, что Phoenix A достигла столь немыслимых размеров благодаря двум факторам. Во-первых, это одна из древнейших черных дыр во Вселенной — она начала расти практически сразу после Большого взрыва. За миллиарды лет поглотила невообразимое количество материи. Во-вторых, она находится в центре массивной галактики, где триллионы звезд обеспечивают ее постоянное увеличение.
Горизонт событий Phoenix A в сто раз превосходит расстояние от Солнца до Плутона. К счастью для землян, этот космический тиран находится на безопасном расстоянии — в 8,5 млрд световых лет от планеты.
Что находится внутри черной дыры
В недрах черной дыры скрывается сингулярность — точка с бесконечной плотностью, где привычные законы физики перестают работать. Пространство и время здесь настолько сильно искривлены, что невозможно предсказать происходящее. Гравитация в сингулярности стремится к бесконечности, а материя сжимается до невообразимо малых размеров.
Увы, горизонт событий не позволяет заглянуть глубже, поэтому все представления о сингулярности — это теории. Некоторые астрономы предполагают, что вместо сингулярности может оказаться что-то иное, например, «квантовая пена» или даже проход в иную часть Вселенной. Пока это остается одной из величайших тайн космоса.
Что будет, если попасть в черную дыру
Попадание в черную дыру — сценарий, достойный научной фантастики. Но на самом деле финал такого путешествия, вероятнее всего, будет плачевным. Как только человек приблизится к горизонту событий, тело начнет растягиваться. Из-за разницы в гравитационных силах между головой и ногами оно вытянется в длинную нить. Этот процесс называют «спагеттификацией».
Если получится выжить, приключения продолжатся. После пересечения горизонта событий человек уже не сможет вернуться или отправить сигнал наружу. Что произойдет дальше, зависит от теории: персона может быть раздавлена в сингулярности или, согласно некоторым гипотезам, оказаться в другой части Вселенной.
Для внешнего наблюдателя падение будет выглядеть так, будто человек застыл у горизонта событий. Объект словно замирает и краснеет, затем постепенно тускнеет и исчезает. Иллюзия связана с тем, что свет перестает доходить до глаз смотрящего.
Теории ученых про черные дыры
Черные дыры порождают множество теорий. Одни пытаются объяснить их природу, другие — роль во Вселенной. Приводим самые интересные.
1. Излучение Хокинга
Стивен Хокинг предположил, что черные дыры могут испускать слабое излучение из-за квантовых эффектов на границе горизонта событий. Со временем это излучение может привести к «испарению» черной дыры. Этим эффектом объясняется исчезновение первичных черных дыр.
2. Кротовые норы
Часть ученых, включая Альберта Эйнштейна, Натана Розена и Джона Арчибальда Уилера, разрабатывали гипотезы, согласно которым черные дыры могут быть связаны с так называемыми белыми дырами в пространстве-времени. Такие тоннели получили название кротовых нор. Они рассматриваются как гипотетические порталы в другие части Вселенной или даже в параллельные миры.
3. Теория струн
Теория струн пытается объединить гравитацию и квантовую физику. Согласно ей, черные дыры — часть многомерного пространства. Внутри не сингулярность, а сложные структуры из вибрирующих струн.
По Хокингу, черные дыры «испаряются», уничтожая информацию. Теория струн подразумевает, что информация не исчезает, а «записывается» на горизонте событий, как на голограмме.
4. Голографическая теория
Эта теория также решает загадку потери информации в черных дырах. Согласно ей, все данные о поглощенных объектах фиксируются на горизонте событий. Иначе говоря, черные дыры — это такие вселенские жесткие диски. Если что-то туда попадает, информация не стирается, а превращается в особые «биты» на горизонте (как пиксели на экране).
5. Гравитационные звезды
Никаких черных дыр нет, а есть очень плотные объекты. Вместо горизонта событий у них может быть твердая поверхность из экзотической материи. Они не уничтожают информацию, а просто очень сильно ее сжимают.
Мнение эксперта
Артем Буц рассказал, какие вызовы ставят черные дыры перед современными учеными.
«Современные представления о черных дырах объединяют классическую теорию относительности Эйнштейна и квантовую физику, но согласовать их пока не удается. Поэтому сейчас физики всерьез исследуют гравитационные парадоксы, возникающие на границе черной дыры.
Например, информационный парадокс. Он заключается в том, что, согласно квантовой теории, информация исчезнуть не может. Однако при падении в черную дыру она, кажется, исчезает. Как это объединить и обосновать — пока неясно.
Одна из самых обсуждаемых идей — это так называемая голографическая теория, в которой вся информация, попадающая внутрь черной дыры, «записывается» на ее границе — горизонте событий. В каком-то смысле все, что находится внутри, может быть описано снаружи. Это как если бы вы могли узнать, что происходит в доме, просто изучая стены».