Черные дыры
Черные дыры – пожалуй, самый интересный космический объект для любого человека, не связанного в своей профессиональной деятельности с космосом. Насколько черные дыры интересны обычным людям, настолько про них не любят рассуж-дать астрофизики. Это сложные объекты, которые довольно неплохо исследованы. Они играют серьезную роль в развитии наших галактик. Но изучение черных дыр особого удовольствия астрофизикам не приносит. Это суровые объекты, которые напоминают о бренности нашего бытия.
Черная дыра – это объект гигантской массы. При этом компактно упакованный. Это наделяет черную дыру удивительными свойствами: она может затягивать в себя даже свет! Фотоны не могут свободно пролететь мимо, не будучи затянутыми этим гигантским космическим монстром.
Важный момент, о котором часто забывают: сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем больше расстояние, тем слабее притяжение. А компактные размеры черной дыры при гигантской массе дают ей супергравитацию. Ее гравитация настолько плотная, что сдавливает вещество максимально. Ведь в атомах на самом деле много пустоты. Ядро и электрон занимают лишь небольшую часть атома.
Главная особенность черной дыры – у нее есть так называемый горизонт событий. Это граница, за которой исчезает все, даже свет. Никакая информация, попав в черную дыру, не может из нее ускользнуть. Обратного пути у вещества, которое прошло горизонт событий, уже нет. Если максимально упростить, то горизонт событий – это та линия, где скорость, с которой нужно вырваться из черной дыры, превышает скорость света. Вам нужно двигаться быстрее света (что невозможно для любого вида материи), чтобы вырваться из цепких лап гравитации черной дыры. Она эффективно собирает и складывает в своих недрах вещество.
Черную дыру можно смело назвать перфекционистом среди материальных объектов. Если бы черная дыра была человеком, из нее получился бы идеальный дизайнер интерьеров. В скромную «однушку» этот дизайнер уместил бы вещи целой многоэтажки, максимально четко и компактно разложив их по полочкам.
Как ученые могут обнаружить черную дыру, если она не испускает свет?
Действительно, напрямую черную дыру увидеть нельзя. Но можно заметить по проявлениям.
Во-первых, через систему двойных звезд, одна из которых – черная дыра. Она начинает постепенно забирать вещество у своей «сестры», и этот процесс хорошо заметен. С помощью гравитации она засасывает в себя поток плазмы и газа. На данный момент это самый распространенный способ обнаружения черных дыр.
Во-вторых, через перепады светимости далеких звезд. Когда черная дыра пролетает между звездой и Землей, где расположены наши телескопы, она забирает себе часть света. Звезда резко тускнеет.
Также сверхмассивные черные дыры можно заметить по так называемому аккреционному диску. Черная дыра затягивает в себя гигантские объемы вещества, которые начинают крутиться вокруг нее на огромных скоростях. Из-за высокой вязкости возникает сила трения, которая заставляет материю светиться.
Сверхмассивные дыры часто находятся в центрах галактик, из-за чего те ярко светятся.
Черная дыра раскручивает вокруг себя вещество с огромной скоростью. Для сравнения: Меркурий, который находится максимально близко к Солнцу, движется вокруг нашего светила со скоростью около 48 км/c, а звезды и другие космические объекты, захваченные черной дырой и вращающиеся вокруг нее, разгоняются до 5000 км/с.
Как черная дыра затягивает свет, если он не имеет массы?
Если фотон не имеет массы, почему свет затягивается в черную дыру под действием гравитации?
Частица света – фотон – относится к безмассовым частицам. То есть его масса равна нулю. Такие частицы всегда движутся со скоростью света. Безмассовые частицы могут менять направление движения, энергию и импульc.
Импульс релятивистской частицы (то есть частицы, которая движется со скоростью, близкой к скорости света) считается не по методам классической физики, поэтому частицы с нулевой массой вполне могут его иметь. Энергия высчитывается по следующей формуле:
E = c √(p2 + m2c2)
Дальше подставляем массу фотона m = 0. Зная энергию, высчитываем импульс. Импульс фотона:
P = Е/c = hv/c = h/λ.
Здесь h – константа, постоянная Планка. Импульс зависит от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше импульс. Поэтому фотоны фиолетового цвета имеют импульс и энергию больше, чем фотоны красного цвета.
Черная дыра притягивает вещество с помощью своей гигантской гравитации. Как же она затягивает безмассовую частицу? Ведь, как мы прекрасно помним, сила притяжения зависит от произведения масс. Если у одного из объектов масса равна нулю, то и сила притяжения, соответственно, равна нулю. Как же черная дыра притягивает фотон?
С точки зрения ньютоновской гравитации это и правда невозможно. Но объекты типа черных дыр нельзя просчитать с помощью ньютоновской физики. Для них используют общую теорию относительности.
Здесь пространство-время искривлено материей. Все объекты продолжают двигаться по прямым траекториям так же, как двигались раньше. Просто пространство-время здесь бесконечно искривлено.
Черная дыра создает так называемый гравитационный колодец. Принцип его такой. Представьте себе бесконечный колодец. Если в него упадет, скажем, капля воды, она будет двигаться по прямой. И бесконечно долго. Но с внешней стороны капля просто исчезла, хотя она существует и движется. Фотон и дальше продолжает лететь по прямой линии, но для наблюдателя он скрыт. Исчез, так как залетел в гравитационный колодец. Ведь фотону нужно пространство, чтобы двигаться, – он летит по траектории.
Гравитационный колодец. Иллюстрация
Представьте себе шоссе. Вы можете ехать только там, где проложен асфальт. А теперь представьте, что само шоссе движется с такой скоростью, что даже если вы попытаетесь повернуть назад и двигаться против движения шоссе – вы не сможете.
Если свет попал внутрь черной дыры, тут пространство растягивается таким образом, что фотонам, чтобы выбраться, нужно суметь изменить направление и двигаться быстрее света. Для фотона это невозможно. К тому же фотон не пропадает в черной дыре навсегда. Черная дыра постепенно испаряется, испуская частицы.
Гравитация не может замедлить фотоны, но она забирает у них энергию, поэтому они смещаются в красную область. То есть выходят уже ослабленными, красного спектра. Это уже не те фотоны, которые когда-то в нее залетели (подробнее см. далее главу «Черные дыры со временем испаряются», этот эффект называется излучением Хокинга).
Впрочем, масса фотона в некоторых случаях может быть и не нулевой. Это гипотетический тяжелый фотон, экспериментально пока не обнаруженный. И он может обладать массой, просто очень маленькой. По оценкам астрофизика Дмитрия Будкера из университета Гутенберга, масса тяжелого фотона не может превышать 10 в – 18 степени электронвольт (в физике электронвольтами измеряют массу микрочастиц). В таком случае черные дыры могут взаимодействовать с фотонами, притягивая их с помощью классической гравитации.
Что находится за горизонтом событий
Согласно общей теории относительности, черные дыры пусты. За горизонтом событий – пустота. А вся масса черной дыры сосредоточена в безразмерной точке, называемой сингулярностью. Поэтому упасть на нее и разбиться в привычном понимании этого слова не получится.
Но по отношению к сингулярности название «дыра» не совсем корректно. Дыра подразумевает пустоту, а это небесное тело, напротив, – максимально сжатый комок вещества. Но раз уж закрепился термин когда-то в науке, не так просто его поменять. «Дыра» – это скорее метафорическая, художественная интерпретация.
Ведь если что-то – свет или материя – попало в дыру, назад пути нет. И на фоне космоса она черная, так как практически ничего не излучает. Свет она не отражает, а захватывает, не выпуская из цепких объятий плотной материи.
Согласно уравнениям Эйнштейна, которые не раз подтверждались на практике, пространство и время не существуют сами по себе. Они связаны с объектом, зависят от его массы. Пространство-время искривляется даже рядом с вами, когда вы идете на работу. Но это настолько несущественное искривление, что, как говорят физики, мы спокойно можем им пренебречь.
Но когда речь идет о таком супермонстре, как черная дыра, искривление пространства-времени становится сильно заметным.
Какая звезда может превратиться в черную дыру
Речь идет о массивных звездах, которые как минимум в три раза больше нашего Солнца. Такая звезда в конце своего пути может коллапсировать в черную дыру. Ее размер будет очень маленьким – максимум несколько десятков километров.
У каждого объекта, даже у человека, есть так называемый гравитационный радиус. Он же радиус Шварцшильда. Назван он в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда, который первым предсказал существование черных дыр. Сделал он это в 1916 году, незадолго до смерти, точно решив уравнения Эйнштейна.
Гравитационный радиус – это тот радиус, при котором объект заданной массы превращается в сингулярность. Ну, или, говоря проще, в черную дыру. Высчитывается он по очень простой формуле:
rg = 2GM/c2
где G – уже знакомая вам гравитационная постоянная, а в знаменателе – скорость света в квадрате.
Подставляем сюда массу объекта вместо М и получаем гравитационный радиус. Для Солнца, например, гравитационный радиус был бы равен 3 километрам. Для Земли он составил бы всего 9 миллиметров.
Но ни Солнцу, ни тем более Земле просто не хватит массы, чтобы сколлапсировать в черную дыру.
Что будет, если человек попадет в черную дыру?
Трудно смоделировать такую ситуацию. Теоретически он может даже не погибнуть, по крайней мере сразу. Пространство-время здесь искривлено настолько, что человек может даже не заметить перехода, – его просто моментально затянет. Одно известно точно: выйти обратно он уже никогда не сможет. Вокруг него будет беспросветная тьма. Даже если он достанет мощный фонарь, свет не выберется и не сможет что-либо осветить внутри черной дыры.
Однако вероятность, что человек попадет за горизонт событий, практически нулевая. Дело в том, что вокруг черной дыры, как правило, на огромных скоростях вращается раскаленный газ – уже упоминаемый мною аккреционный диск. Ведь черные дыры заглатывают вещество, пролетающее мимо звезды, и т. д. И человек, даже в очень защищенном крепком скафандре, вряд ли преодолеет эту преграду. И даже если удастся защититься от высокой температуры, то радиация и рентгеновские лучи добьют человека окончательно. Именно в этих диапазонах свечение аккреционного диска максимально.
Если же представить, что у космонавта будет суперскафандр (фантастика, конечно, но падение в черную дыру космонавта – тоже событие не слишком реалистичное), который защитит и от радиации, и от жары, его ждет другой неприятный сюрприз.
На притягивающийся объект действуют так называемые приливные силы. Грубо говоря, его голова начнет притягиваться чуть сильнее, чем ноги. И из-за приливных сил его просто разорвет на части. Космонавта будет растягивать и растягивать, пока весь он не будет разобран на мельчайшие кусочки (надеюсь, что вы не за обедом читаете эту книгу, а то картину я нарисовал, мягко скажем, неаппетитную). До горизонта событий человек доберется уже разобранным на атомы, и в таком виде попадет внутрь черной дыры.
Почему черные дыры важны для появления жизни
«Черные дыры уничтожают все живое и неживое! О каком позитивном влиянии на жизнь может идти речь?» – спросите вы. Я задался ровно тем же вопросом, когда открыл очередную статью в октябрьском номере «Астрофизического журнала» за 2021 год. Оказалось, черные дыры и правда могут повысить вероятность появления жизни в галактике. Происходит это следующим образом.
Углерод – важный элемент для появления органической жизни. Образуется он в недрах звезд. Причем чем массивнее звезда, тем выше запас углерода. Вот только покидает он звезду неохотно. По оценкам Роба Фармера, немецкого астрофизика из Института Макса Планка, крупная звезда, вращающаяся в паре с черной дырой, выбрасывает в космос почти в шесть раз больше углерода.
Ядерные реакции внутри массивной звезды сначала превращают водород в гелий. Когда в ядре заканчивается водород, звезда расширяется. В этот момент гелий постепенно преобразуется в углерод. Когда звезда сбрасывает оболочку, в космическое пространство и выходит углерод. Звезда с массой в 40 солнц выбрасывает во время взрыва 1,1 солнечной массы углерода, если у нее есть «сестра» – черная дыра.
Если же звезда одинока, то количество углерода составляет всего 0,2 солнечной массы. Она прячет углерод внутри своего ядра. Черная дыра-напарница стимулирует более сильный взрыв, помогая высвободиться углероду. А чем больше углерода отправится в космическое пространство, тем больше вероятность появления жизни. Ведь чтобы возникла жизнь, природе нужно перебрать очень много вариантов.
Но углерод – не единственный способ, которым черная дыра стимулирует появление жизни. Массивные черные дыры в ядрах регулируют количество звезд, возможное в данной галактике. Международная группа ученых под руководством астрофизика Игнасио Мартина Наварро из Калифорнийского университета установила взаимосвязь между звездообразованием в галактике и массой черной дыры в ядре галактики.
Если бы черных дыр не было, то звезды были бы ярче и располагались плотнее, что снижало бы вероятность появления жизни. Потому что для жизни лучше подходит умеренная светимость, как у звезды класса «желтый карлик», к которому относится наше Солнце. А черные дыры не только поглощают «лишнее» вещество, но и разбрасывают по «рукавам» галактик газ и пыль. Разгоняясь на бешеной скорости, вещество покидает орбиту, на которой вращается вокруг черной дыры. И уже из этого вещества образуются новые звезды.
Новые звезды должны появляться, чтобы возникала вероятность появления новой жизни. Но без регуляции этого процесса галактика быстро потратит все вещество. К примеру, на заре появления галактики Млечный Путь процесс звездообразования в ней шел на уровне 10 солнечных масс в год. Сейчас этот процесс замедлился до 3 солнечных масс в год. В галактиках же с бурным звездообразованием – например, до 100 солнечных масс в год – весь газ быстро тратится. И такие галактики быстро потухают.
Квазар. Самая яркая… черная дыра
Когда ученые впервые открыли квазары, они были поражены. Небольшой по космическим меркам объект излучал, как тысячи галактик уровня Млечного Пути.
Квазары – это ядра далеких галактик, в основе которых – сверхмассивная черная дыра. Она поглощает окружающее вещество – другие звезды, газ, пылевые облака и т. п., – раскручивает их до высоких скоростей и раскаляет до высоких температур. И вся эта гигантская масса начинает ярко испускать энергию, которая и добирается до нас в виде фотонов.
Квазары существовали в далеком прошлом. Сейчас они находятся далеко, свет от этих объектов только достигает нашей планеты. Скорее всего, их уже не существует в таком виде. Пик расцвета квазаров пришелся на период 10 миллиардов лет назад.
Самый мощный из известных квазаров носит традиционное, с точки зрения астрофизиков, романтичное имя – J043947.08+163415.7. Находится он на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет. То есть возник на заре Вселенной, когда она только отпраздновала свой первый миллиард лет. Этот квазар светит, как 600 триллионов солнц! Это как тысячи галактик одновременно, только из крайне компактного источника света. Связано это с тем, что на заре Вселенной звезды были намного массивнее. Наша галактика Млечный Путь появилась 13,2 миллиарда лет назад. И, весьма вероятно, для каких-нибудь далеких внеземных наблюдателей мы тоже выглядим как гигантский квазар.
Черные дыры со временем испаряются
Да, ничто не вечно в нашем мире. Черные дыры медленно испаряются. Эту гипотезу выдвинул Стивен Хокинг, потому явление и названо в его честь – излучение Хокинга.
Интересно, что на эту мысль Хокинга натолкнули два знаменитых советских астрофизика – Яков Зельдович и Алексей Старобинский. Когда Хокинг приезжал с визитом в Москву в 1973 году, ученые поделились с ним гипотезой, что черные дыры должны излучать частицы. Это следовало из принципа неопределенности Гейзенберга. Фундаментальный принцип квантовой механики подразумевал, что вращающиеся черные дыры должны порождать частицы. Но именно Стивен Хокинг смог довести эти соображения до полноценной гипотезы.
Квантовые эффекты черной дыры приводят к тому, что она медленно испаряется, теряя вещество. Квантовые эффекты способны преодолеть ограничения, которые накладывает на черную дыру горизонт событий. Но процесс этот крайне медленный – черная дыра неохотно расстается со своим веществом.
Черные дыры в нашей галактике. Есть чего бояться?
Согласно современным астрофизическим представлениям, сверхмассивные черные дыры, которые много лет растут, захватывая вещество, образуют ядра большинства галактик.
Млечный Путь – не исключение. В ядре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* (так и произносится: «Стрелец А со звездочкой»).
Первая фотография черной дыры, сделанная с помощью телескопа Event Horizon. Это черная дыра, которая находится в центре галактики M87. Свечение вокруг – аккреционный диск. Фото Event Horizon Telescope
Но находится она от нас очень далеко – на расстоянии 26 тысяч световых лет. Нам ближе долететь до края нашей галактики, чем до этой черной дыры.
Столкновения или какие-то пересечения с черными дырами для Солнечной системы в ближайшие миллиарды лет крайне маловероятны. Мы буквально вращаемся в разных сферах. Как вы помните, наше Солнце – это молодой человек из провинции, в самом расцвете сил. Черная дыра – это столичный олигарх. Он окружил себя толпой телохранителей и смотрит на окружающий мир через затемненное стекло своего «роллс-ройса». Нам с ним не по пути. И слава Богу!
Стрелец A* представляет собой классическое ядро с массой 4,3 миллиона солнц. Причем заключен он в весьма маленький объем с диаметром, примерно равным расстоянию от Земли до Плутона. На саму сверхмассивную черную дыру приходится лишь четверть массы. Все остальное – сопутствующее вещество, включая звезды и облака газа, которые крутятся вокруг объекта.
В центре Млечного Пути есть и другие черные дыры, поменьше. Например, японские астрономы в 2019 году открыли черную дыру размером с Юпитер. Ее масса составляет «всего лишь» 32 тысячи солнц. В конце 2021 года астрономы обнаружили черную дыру в ядре Большого Магелланова Облака. Черная дыра тут тоже совсем небольшая – всего в 11 раз массивнее нашего Солнца. Она находится в системе двойных звезд с крупной звездой, которая в пять раз больше Солнца. И постепенно «выпивает» ее вещество, которое плавно перетекает в черную дыру.
Черная дыра и «другие миры»
Существуют изящные теоретические модели, которые наделяют черные дыры сверхъестественными, на первый взгляд, свойствами.
Например, черные дыры настолько сильно выворачивают пространство-время, что могут служить переходом в другие миры или временные зоны. Теоретически черная дыра может открыть дорогу в будущее. Или помочь преодолеть расстояния в миллиарды световых лет.
Любопытную модель предложил новозеландский математик и астрофизик Рой Патрик Керр. Керр предложил модель под названием «кольцеобразная сингулярность». И здесь черная дыра открывает поразительные возможности. Ведь она буквально сворачивает пространство-время, потенциально открывая дороги в другие измерения. Можно проходить в это кольцо, и оно может служить своеобразным лифтом для путешествия в другие миры.
Гипотетически и наша Вселенная может находиться внутри своеобразной черной дыры. И иметь горизонт событий, за который мы не можем заглянуть. Вот и варимся в своем маленьком мирке. Также и наша черная дыра может вмещать вселенные внутри себя. Как ни странно, противоречий с законами физики тут нет. Черные дыры настолько сильно искажают пространство-время, что возможны самые разные варианты. Пространство тут буквально выворачивается наизнанку, а говорить о законах физики в привычном для нас понимании уже не приходится.
Предположительно на другом конце, на выходе из черной дыры, может находиться так называемая белая дыра. Этот объект – выход в другой мир. И работает белая дыра ровно наоборот: она не притягивает к себе вещество, а выбрасывает. Однако гипотеза не означает, что все сложится гладко. Каких-то оснований считать, что черная дыра сворачивает пространство так, что открывается «портал в другой мир», у нас нет. Почему она должна быть проводником в другой мир, а не в небытие? Черная дыра – это же не разумный таможенник, который открывает границу в другую страну. Это просто – будем циничны и одновременно реалистичны – труп звезды.
И все-таки одна гипотетическая модель имеет право на существование. Это мост Эйнштейна – Розена, он же червоточина: идея о путешествии на большие расстояния с использованием свойства черной дыры изгибать пространство. Эту идею мы подробнее рассмотрим в части книги, посвященной будущему.