Черные дыры являются самыми загадочными объектами во Вселенной, но долгое время в том, что они реально существуют, сильно сомневались. Они оставались лишь математической абстракцией на бумаге, забавным выводом теории относительности, в них не верил даже сам Альберт Эйнштейн.
Но время шло, наши знания преумножались, в науку приходили новые поколения ученых, которые продолжали развивать теорию относительности. В них крепло убеждение, что черные дыры – это реальность. Писались книги, снимались фильмы, проводились лекции, но, кроме теоретических построений, ученые не могли предъявить широкой публике ровным счетом ничего.
С 1970-х годов мы начали наблюдать за центром нашей Галактики, а если точнее, то за траекториями звезд в центре нашей галактики. Звезды эти двигались совершенно непонятным образом: они делали резкие петли и выделывали различные финты, будто какое-то массивное тело заставляло их менять свою привычную круговую орбиту.
Исходя из этих траекторий, получилось даже рассчитать массу и размер этого тела: оно в 3 700 000 раз тяжелее нашего Солнца, и если бы оно находилось в нашей солнечной системе, то простиралось бы далеко за орбиту Плутона.
Это не могла быть звезда, так как она не светится, а её плотность, которая получалась совершенно фантастической, не позволяла её причислить вообще ни к чему. Такой объект давно должен был сжаться под действием своей гравитации. Вывод был однозначным: это сверхмассивная черная дыра. Более того, полагали, что подобные объекты находятся в центре большинства галактик.
Астрономы даже попытались сфотографировать её, но, из-за большого количества пыли между нами и центром Галактики, сделать это было довольно затруднительно. Поэтому решено было сфотографировать центр другой галактики, что и было сделано в 2019 году, когда миру была предоставлена первая фотография черной дыры – вернее, не её самой, а её тени.
Как корабль назовешь, так он и поплывет...
Кстати, почему черную дыру называют объектом? Если вы заглянете в Википедию, то можете прочитать, что определение этого понятия начинается со слов «область пространства-времени». Получается, что черную дыру правильнее называть «местом», а не «объектом».
Вам может показаться, что это всего лишь игра в термины, и на самом деле суть от этого не меняется. Но подумайте вот о чем: при слове «объект» мы всегда представляем себе что-то материальное, то, что можно увидеть или хотя бы потрогать, что-то ощутимое, а в случае космоса – то, что обладает поверхностью. И здесь самая первая ошибка, которую мы совершаем, говоря о черной дыре. Нам кажется, что это просто очень-очень плотный объект - материя, сжатая до невообразимой плотности.
Корни этого заблуждения кроются в том, что многие журналисты, пишущие о черных дырах, в качестве примера приводят такой факт: чтобы из Земли получилась черная дыра, её надо сжать до размеров горошины, а Солнце станет черной дырой, если сжать её до шарика в 6 км в поперечнике. Даже при описании сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики приходится говорить о её размерах. То есть читающие это предполагают, что черная дыра представляет собой тело. Но это не так.
Что такое черная дыра
Чтобы улететь с любого космического тела, то есть сделать так, чтобы её гравитация не смогла на нас влиять, необходима определенная скорость и вычисляется по довольно простенькой формуле. Например, для Земли она равняется 11,2 км/с, для Солнца – уже 617 км/с. Но если бы мы сжали Солнце в размерах в 10 раз, то эта скорость возросла бы до 1935 км/с. Если продолжать сжимать Солнце всё больше и больше, то в какой-то момент скорость для преодоления её гравитации будет составлять уже скорость света. Сожмите Солнце еще на один волосок – и теперь даже свет не сможет преодолеть её гравитацию.
Во Вселенной, согласно расчетам, звезды могут в конце своей жизни начать сжиматься подобным образом, то есть «падать на саму себя». В 1915 году Карл Шварцшильд, решая уравнения Эйнштейна, выяснил, что существует определенный размер, после достижения которого они перестанут излучать во внешний мир, ни один фотон не сможет вырваться с их поверхности. Для нас они станут полностью черными. Но это еще далеко не черная дыра, под внешней чернотой процесс сжатия продолжится, материя будет всё дальше падать на себя, вот только мы этого уже не сможем увидеть.
Когда вы читаете о размерах черной дыры, то в действительности вам говорят о размере той области, которую вычислил Шварцшильд и из которой не может вырваться свет. Границу этой зоны называют горизонтом событий, то есть события, которые будут происходить в недрах сжимающейся звезды после достижения ей этого размера, для нас будут уже недоступны. Отметим также, что эта зона будет разной для тел с разной массой. Например, для Земли она будет иметь размеры горошины, а для Солнца это будет сфера диаметром в 6 км.
Но что происходит там – «внутри»? До какой степени будет сжиматься материя? Пока что мы не можем точно ответить на этот вопрос, мы лишь строим теории.
Что говорит теория относительности
Теория относительности говорит нам, что материя при рождении черной дыры продолжит сжиматься до одной точки, после чего перестанет существовать, а точка станет сингулярностью. Получается, что в черной дыре нет материи – протонов, нейтронов, кварков и остальных – всё это перестало существовать. Оно не испарилось, а полностью превратилось в энергию, которая искривляет пространство-время. Чем ближе к центру, тем сильнее это искривление, а в самом центре – сингулярности – оно достигает бесконечных значений.
Сложно осознать, правда? Давайте лучше так: материя превращается в иголку, которая «протыкает» ткань пространства-времени, после чего иголка уже не нужна: она сделала своё дело и теперь превращается в силу, которая удерживает этот «прокол» открытым.
Описанное выше касалось только невращающихся черных дыр. Но звезды, из которых по большей части и возникают черные дыры, вращаются, поэтому вполне логично, что это вращение передастся и черной дыре. Тогда сингулярность будет представлять собой не точку, а кольцо с нулевой толщиной.
Но что там - внутри сингулярности? О, здесь настоящий Клондайк идей: своя отдельная Вселенная, проход в параллельную Вселенную, туннель для путешествий к другим звёздам, машина времени и много чего еще.
Такое обилие гипотез говорит только об одном: наука ничего не знает, наука пока еще не в курсе дела.
Другие теории
Теория относительности – вещь, конечно, хорошая, но, как мы убедились выше, она «хромает», когда дело касается того, что происходит под горизонтом событий. Более того, квантовая механика, которая изучает элементарные частицы и взаимодействия между ними, во многом противоречит детищу Эйнштейна. Желая примирить эти две теории, ученые уже много лет пытаются создать «теорию всего», даже сам Эйнштейн работал над ней. Об одной из них, вы, безусловно, слышали – это теория струн.
Но давайте остановимся на другой: на теории петлевой квантовой гравитации. Согласно ей, внутри черной дыры нет сингулярности, там существует «планковская звезда». Материя после формирования горизонта событий никуда не исчезает: она продолжает сжиматься в размерах. Вот уже она сжалась до размеров атома (это какую плотность она должна иметь!), еще меньше, еще…
Она сожмется до такого предела, который может ей позволить сама Вселенная – во много миллиардов раз меньше размеров атома, но всё же будет иметь определенный размер. Она будет существовать в таком состоянии столько, сколько понадобится свету, чтобы преодолеть её от края до края – такой отрезок времени намного, намного меньше секунды - после чего начнется обратный процесс расширения.
Но в центре черной дыры время идет очень медленно, практически останавливается. Поэтому доля секунды внутри черной дыры будет равняться миллиардам лет во внешней Вселенной, и для нас «планковская звезда» будет существовать практически вечно.
Вот, собственно, всё, что думают ученые о происходящем внутри черной дыры. Осталось лишь осветить ещё пару вопросов.
О свете и замедлении времени
Всем, кто мало-мальски знаком со школьной физикой, кажется невероятным, что свет, частицы которого вообще не имеют массы, могут притягиваться. Но в действительности, теория относительности говорит о том, что сила притяжения – это иллюзия, её не существует. Есть только искривление ткани пространства-времени, которое мы воспринимаем как притяжение.
Свет всегда распространяется по прямой. Любая масса искривляет эту прямую, и свет тоже, хочешь-не хочешь, летит по этому искривленному пути (хотя для него – это по-прежнему прямая). Это было доказано еще в начале XX века при наблюдении солнечного затмения. Под горизонтом событий, внутри черной дыры, эти прямые искривлены настолько, что все они ведут к её центру. Поэтому свет не может покинуть это предел: в какую бы сторону он не летел, его путь всегда будет направлен внутрь черной дыры.
Теперь о времени. Многие, наверное, знают, что спутники GPS, которые летают над нами, имеют небольшую поправку на время. Совсем мизерную, но если её не сделать, то за один день набежит такая разница, что ошибка в определении местоположения будет составлять 10 км. Связано это с тем, что, искривляя пространство, которое мы ощущаем как силу притяжения, масса вдобавок искривляет и время – оно его замедляет. Не беспокойтесь – вы всё так же быстро собираетесь на работу, просто с точки зрения человека на расстоянии нескольких сотен тысяч километров от Земли вы при этом движетесь будто в замедленном кино.
На Солнце сила притяжения больше, значит и время там течет еще медленнее. Продолжая эту аналогию, можно сказать, что у горизонта событий черной дыры время практически останавливается. Но только для того, кто смотрит со стороны внешней Вселенной – это очень важно. Для того же, кто приближается к горизонту событий, ничего не поменяется – его собственное время будет идти своим чередом, просто остальной мир для него станет вдруг очень быстрым.
