«Космический тупик»
Черная дыра — это область пространства-времени, обладающая настолько сильным гравитационным притяжением, что никакие частицы либо электромагнитное излучение не могут ее покинуть. Граница этой области называется горизонтом событий.
С точки зрения астрофизики, черные дыры — это финальная стадия эволюции звезд. Астрофизические черные дыры представляют собой небольшие по размерам, но очень массивные космические объекты, совсем не излучающие света и других электромагнитных волн. Например, черная дыра в далекой галактике M87, которую удалось запечатлеть ученым, имеет размер, сравнимый с нашей Солнечной системой. По массе она превосходит Солнце в 6,5 млрд раз. По этому показателю ученые выделяют черные дыры звездной массы, промежуточной массы и сверхмассивные черные дыры.
Как образуются и исчезают черные дыры?
Черные дыры звездных масс представляют собой конечную стадию эволюции массивных звезд. После исчерпания водородно-гелиевого «топлива» в центре такого светила оно начинает сжиматься, поскольку внутреннее давление, создаваемое за счет выделения энергии в ходе реакций термоядерного синтеза, уже не может поддерживать стабильное состояние звезды, и под действием собственной гравитации она стремительно коллапсирует в массивный неизлучающий объект, который мы можем наблюдать, например, в тесной двойной системе благодаря аккреционному диску, образуемому при «перетекании» на него вещества звезды-компаньона.
Сверхмассивные черные дыры образуются при слиянии менее массивных черных дыр, расположенных в центрах галактик. Этот процесс предполагает, что масса возникшего объекта будет приблизительно равна сумме масс его «предшественников». Такие объекты также могут формироваться за счет слияния массивных звезд в звездных скоплениях.
Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нем возникают потоки частиц, испускаемых в окружающее пространство. Это явление называется «излучением Хокинга» — в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, за счет этого излучения черная дыра, тем не менее, постепенно «испаряется». Со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.
Внутри черной дыры
Ученым неизвестно, что ждет человека, попавшего под горизонт событий. Поглотит ли его черная дыра или разорвут приливные силы? Или он обнаружит там заднюю стенку книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме «Интерстеллар»?
Корреспондент ВВС Earth Аманда Гефтер (Amanda Gefter) в статье, которая стала самой читаемой в 2015 году, предполагает, что в тот момент, когда человек достигнет горизонта событий, реальность разделится надвое. В одной реальности его мгновенно испепелит, в другой же — он нырнет вглубь черной дыры живым и невредимым.
Дело в том, что, в соответствии с физическими принципами, никакой носитель информации (то есть любое физическое тело, включая человеческое) не может пересечь горизонт событий и обязан остаться с внешней его стороны, иначе вся содержащаяся в нем информация окажется потерянной для нашего мира. С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы человек — или любое другое тело — пролетел сквозь горизонт живым и невредимым, не повстречав на своем пути никаких необычных опасных явлений. В противном случае будет нарушена Общая теория относительности.
Такое парадоксальное сочетание ученые называют термином «парадокс исчезновения информации в черной дыре». Американский физик Леонард Зюскинд (Leonard Susskind) понял, что никакого парадокса на самом деле нет — просто два состояния человека объясняются с точки зрения ощущений того, кто попал в черную дыру, и того, кто наблюдает за процессом. Эти два человека никогда больше не встретятся и не смогут сравнить свои наблюдения. Таким образом, физические законы не нарушаются.
Бесконечно искривленное время и пространство
По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в ее центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Строго говоря, сами понятия «пространство» и «время» в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.
Кип Торн (Kip Thorne), научный консультант известной кинокартины Кристофера Нолана и автор книги «Интерстеллар. Наука за кадром», сравнивает искривление пространства с муравьем на батуте. Представьте себе муравья (человек), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Так же, как прогибается поверхность батута под весом этого камня, искривляется и пространство нашей Вселенной в окрестностях массивного объекта. Искривляется и время, взаимосвязь которого с пространством описывают формулы Теории относительности.
Не такая уж и черная
Согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры не являются полностью «черными» — фактически они испускают частицы. На самом деле у черной дыры нет никакого цвета: это условное выражение лишь подразумевает, что все падающее в нее не выходит обратно. Мы можем наблюдать ее только в том случае, когда вокруг нее имеется какая-то светящаяся материя (газ или соседняя звезда, вещество которой «перетягивает» сверхмассивный объект). Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающихся черных дыры.
Первый снимок черной дыры, который удалось получить в ходе проекта Event Horizon Telescope, стал результатом нескольких лет обработки данных, собранных радиотелескопами по всей планете. Цвета на изображении — условные, поскольку съемка велась в радиодиапазоне, недоступном человеческому глазу.