Самое избитое описание черных дыр звучит так – объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может его покинуть… Описание хоть и не врёт, но не дает ни малейшего представления, что же такое черная дыра.
Начнем с того, что различают ЧД трех видов:
1) ЧД звездной массы – как уже вскользь упоминал, это трупы самых больших и ярких звезд. Масса таких дыр варьируется от 5 до 35 масс Солнца и вся это масса сосредоточена в крошечном шарике диаметром в несколько километров.
2) Сверхмассивные ЧД – настоящие монстры, масса которых измеряется миллионами, иногда миллиардами масс Солнца. Четкого понимания как они образуются, до сих пор нет. Вроде как миллион маленьких черных дыр, сливаясь, должен дать одну сверхмассивную. Однако, заглядывая в телескопы на миллиарды световых лет вдаль и настолько же в прошлое, мы видим, что сверхмассивные ЧД были уже тогда, когда вселенная была слишком молода, чтобы породить такое количество маленьких ЧД. Т.е. они образовались пока не понятным нам способом, но точно не из умерших звезд.
3) ЧД промежуточной массы – что-то среднее между 1 и 2. Вопреки логике, встречаются крайне редко, что только подтверждает разные способы возникновения 1 и 2 типов ЧД.
Гипотетически есть еще микроскопические ЧД квантовых масштабов, но у нас тут Космомания, а не паблик квантовой физики, поэтому фиг с ними.
Мы уже выяснили, как большие и яркие звезды после смерти становятся нейтронными звездами. Дальнейшему сжатию нейтронов препятствует сильное ядерное взаимодействие, благодаря которому нейтроны вообще существуют. Когда умирает звезда еще тяжелее – массой от 5 солнечных, гравитация побеждает и сильное ядерное взаимодействие. В таких условиях материя существовать уже не может – нейтроны разрушаются на отдельные кварки и лептоны, которые могут существовать только в связке друг с другом. В итоге всё это вещество превращается в энергию согласно той самой формуле E=mc^2.
Из этого следует первое откровение: черные дыры НЕ состоят из материи. В условиях экстремальной гравитации ЧД материя в известном нам виде просто не может существовать. ЧД состоит из энергии. Из огромного количества энергии, которое искривляет пространство вокруг черной дыры, что мы воспринимаем как гравитацию. Да, еще одно откровение: гравитация – это не сила, это искривление пространства, которое мы воспринимаем как силу. Это очень глубокая тема, требующая отдельного разговора, пока что ограничимся этим.
Фильм Интерстеллар прекрасен не только плачущим МакКонахи, но также великолепной визуализацией ЧД, сделанной по самым продвинутым научным моделям. На изображении сверху поста можно еще раз полюбоваться на собственно дыру, окруженную аккреционным диском. Этот диск состоит из газа, который дыра не смогла проглотить. Газ этот вращается вокруг дыры с околосветовой скоростью, и из-за трения разогревается до миллиардов градусов. Выглядит этот диск весьма странно – он будто вообще непонятно какой формы. Это происходит из-за того же искривления пространства, которое я пытался нарисовать в заметке про нейтронную звезду. Часть диска, которая находится сзади ЧД, визуально кажется нам сверху и снизу нее, потому что фотоны, испускаемые диском, так отклоняются гравитацией ЧД:
В чисто физическом смысле черная дыра – очень простой объект. Это шар, условную поверхность которого называют горизонтом событий. Это условная граница дыры, ее нельзя потрогать и даже увидеть толком. Если вам доведется упасть в ЧД, вы даже не поймете, что пересекли горизонт событий. Строго говоря, горизонт событий – это область ЧД, в которой первая космическая скорость превышает скорость света. Рядом с этой областью свет хотя и отклоняется от своей первоначальной траектории, но все еще может избежать падения в дыру. После пересечения горизонта покинуть дыру уже невозможно, т.к. для этого придется разогнаться быстрее скорости света. В нашей вселенной это невозможно, поэтому всё, что попадает за горизонт ЧД, остается в ЧД навсегда. Даже свет. Собственно, поэтому дыра и черная – она не испускает свет, и не отражает его, только поглощает.
По этой же причине внутренности черной дыры невозможно исследовать – ни один фотон или атом вещества не может покинуть ЧД, чтобы быть нами проанализированным. Все наши знания о том, что происходит внутри ЧД, сугубо теоретические и наверняка будут пересматриваться по мере развития науки. На сегодняшний день одним из самых крутых в мире специалистов по черным дырам (звучит как-то даже пошло) – нобелевский лауреат Кип Торн. Тот самый, по сценарию которого сняли Интерстеллар. В своей книге «Интерстеллар. Наука за кадром» он дает кучу рвущих мозг описаний эффектов, связанных с черными дырами. Остановлюсь здесь на самом, на мой взгляд, интересном – как ЧД искривляют пространство-время вокруг и внутри себя.
Как ни странно, маленькие ЧД звездных масс намного более разрушительны, чем сверхмассивные. Подлетая к такой небольшой ЧД, вы будете разорваны на отдельные молекулы задолго до того, как подлетите к ее горизонту событий. Всему виной резкое экстремальное искривление пространства рядом с такой дырой. У сверхмассивных ЧД с этим все намного проще. Диаметр их горизонта событий огромен – внутрь некоторых сверхмассивных ЧД может поместиться вся наша солнечная система. Чудовищная масса такой дыры не сосредоточена в крошечном объеме, как у маленьких, а размазана по гигантскому объему. Поэтому рядом с горизонтом событий такой дыры искривление пространства не так экстремально. Скорее всего, вы еще долго останетесь живы, после падения за горизонт событий такой дыры. Для вас это будет билет в один конец, но прежде чем умереть, вы получите массу уникальных впечатлений.
Первое, что вам предстоит пережить – экстремальное замедление времени. Чем ближе вы будете приближаться к горизонту событий черной дыры, тем медленнее будет идти ваше время. Медленнее настолько, что наблюдатель со стороны никогда не увидит, как вы падаете за горизонт – для него этот процесс займет миллиарды лет, хотя для вас пройдут считанные минуты. Из этого следует другая интересная деталь. Допустим, ЧД довольно старая и существует миллиард лет. Из-за собственного замедления времени внутри ЧД этот миллиард лет пролетит за несколько минут, может часов. За этот миллиард лет ЧД поглотит огромное количество материи, которая внутри ЧД накопится за минуты. То есть вы, попав за горизонт событий ЧД, столкнетесь с миллиардами тонн всякого говна, которое упало в дыру за всю ее жизнь. А так как в дыре время ускоряется драматически, то сзади на вас будет падать другой миллиард тонн говна, которое нападало в дыру за тысячи веков после вас.
В итоге вы умрете через несколько минут, будучи раздавлены всей это массой. Возможно, вас успокоит, что во вселенной за это время пройдут миллиарды лет, и вместе с вами исчезнет Земля, Солнце и вся наша галактика, а может и вся вселенная.
