Черная дыра - уникальный объект. Из-за сверхвысокой гравитации она поглощает все вокруг, включая свет. Но как это возможно?
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.
Черная дыра притягивает вещество с помощью своей гигантской гравитации. Как же она затягивает безмассовую частицу? Ведь, как мы прекрасно помним из формулы силы притяжения, она 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 невозможно просчитать с помощью ньютоновской физики. Для них используют общую теорию относительности.
Здесь пространство-время искривлено материей. Все объекты продолжают двигаться по прямым траекториям также, как двигались раньше. Просто пространство-время здесь бесконечно искривлены.
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.
Черная дыра сгибает и даже растягивает пространство к своему центру.
Ведь фотону нужно пространство, чтобы двигаться - он летит по траектории.
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 пространство растягивается таким образом, что фотонам - чтобы выбраться, нужно суметь изменить направление и двигаться быстрее света. А для фотона это невозможно.
К тому же, фотон не пропадает в черной дыре навеки. Черная дыра постепенно испаряется, испуская частицы. Эту гипотезу выдвинул Стивен Хокинг, потому явление и названо в его честь – излучением Хокинга. То есть попадание вещества и света в недра черной дыры - не билет в один конец. Оттуда можно выбраться, правда процесс очень медленный.
Гравитация не может замедлить фотоны, но она забирает у них энергию, поэтому они смещаются в красную область. То есть фотоны выходят уже ослабленными, красного спектра. Это уже не те фотоны, которые когда-то в нее залетели.
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 минус 18 степени электронвольт (в физике электронвольтами измеряют массу микрочастиц).
В таком случае, черные дыры могут и взаимодействовать с фотоном, притягивая их с помощью классической гравитации.