Черные дыры: что это такое?
Черные дыры — это одни из самых загадочных и увлекательных (для ученых) объектов во Вселенной. Если говорить простыми словами, черная дыра — это область пространства, в которой гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может её покинуть. Представьте, что мы стоим на поверхности Земли и бросаем вверх мяч - он всегда упадет обратно. Если бы у нас была суперпушка, такая, что могла бы "жахнуть" мяч с огромной скоростью, то он преодолел бы земное притяжения и улетел в космос. Что уж говорить про лазерный луч. Стоит направить его в небо, и он отправится в просторы вселенной, если только не попадет случайно в Луну. Тогда есть все шансы, что он отразится и прилетит к нам обратно примерно через 3 секунды. Однако в черной дыре гравитация настолько мощная, что даже свет, который движется быстрее всего во Вселенной, не может "убежать" и, единожды попав в черную дыру, уже никогда ее не покинет.
Черная дыра образуется, когда массивная звезда заканчивает свою жизнь. У нее подходит к концу запас ядерного топлива, и она взрывается в виде сверхновой, а её ядро сжимается под действием собственной гравитации. Если масса ядра достаточно велика, оно коллапсирует в черную дыру. Согласно современным представлениям, минимальная масса такой черной дыры составляет около 3х масс Солнца.
А само наше Солнце, очевидно, не дотянуло. Его ждет другая судьба: сначала станет Красным Гигантом, потом Белым Карликом, а когда совсем остынет, наверное, Черным Карликом. Но волноваться не стоит - это еще не скоро, через миллиарды лет.
Что такое горизонт событий?
Черная дыра у многих ассоциируется с таким красивым и мало что за себя говорящим понятием, как Горизонт Событий. А это такая воображаемая граница вокруг черной дыры, за которой гравитация становится настолько сильной, что ничто уже не может её преодолеть. Как раз за эту границу нельзя попадать даже свету, если он ее пересечет, то обратно уже никогда не вернется. Поэтому горизонт событий — это граница невозврата.
Размер горизонта событий зависит от массы черной дыры. Чем больше масса, тем дальше горизонт. Ученые даже могут рассчитать его размер с помощью формулы. Например: если бы наше Солнце стало черной дырой (помним, что оно слишком легкое для этого, но представим), то радиус горизонта событий был бы всего 3 километра. А вот если бы вся наша галактика "Млечный путь" превратилась в черную дыру, её горизонт событий был бы огромным — миллиарды километров в диаметре.
Мифы и легенды о черных дырах
Черные дыры окружены множеством мифов и заблуждений. Давайте разберем самые популярные из них.
1. Черные дыры — это "космические пылесосы"
Один из самых распространенных мифов — черные дыры "засасывают" всё вокруг. На самом деле, черная дыра действует как любой другой космический объект у которого есть масса: её гравитация начинает очень сильно влиять на объекты, только если они приближаются слишком близко. Например, если бы наше Солнце внезапно стало черной дырой (сохранив свою массу), стало бы очень-очень холодно (это понятно?). Но Земля продолжала бы вращаться вокруг него, как и раньше. Черная дыра не "засосёт", если держатся от нее подальше.
2. Черные дыры вечны
Многие думают, что черные дыры существуют вечно (постепенно поглощая все, что пролетает слишком близко). Однако, согласно теории Стивена Хокинга, черные дыры медленно "испаряются", сопровождая процесс излучением, которое сейчас называют излучением Хокинга (все из-за квантовых флуктуаций вакуума вблизи горизонта событий черной дыры, если кому от этого понятнее). Этот процесс занимает колоссальное количество времени, особенно для больших черных дыр, но в конечном итоге черная дыра может полностью исчезнуть (правда, столько не живут даже вселенные).
3. Черные дыры ведут в другие вселенные
В научной фантастике часто можно встретить идею, что черные дыры — это порталы в другие миры или вселенные. На самом деле, если бы кто-то попал в черную дыру, для начала его бы растянуло в лапшу из-за колоссальных приливных сил (это явление так и называют - "спагеттификация"). Кроме того, внутри черной дыры находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью, где законы физики, как мы их знаем, перестают работать. Никаких доказательств существования "порталов" нет.
4. Черные дыры нельзя увидеть
Этот миф частично правдив, но не совсем точен. Саму черную дыру действительно нельзя увидеть, так как она не излучает свет (а тот, что туда попадает, не возвращается). Однако мы можем наблюдать её влияние на окружающее пространство, в котором всегда что-то есть. Например, вещество, падающее на черную дыру. Оно образует вращающийся диск, его называют аккреционным. По сути это раскаленный газ и пыль, которые вертятся вокруг черной дыры, все это светятся - мы можем увидеть.
5. Черные дыры опасны для всей Вселенной
Некоторые люди думают, что черные дыры могут "поглотить" всю Вселенную. Это не так. Черные дыры, хотя и обладают огромной гравитацией, ограничены в своем влиянии. Даже сверхмассивные черные дыры в центрах галактик не могут "съесть" всю галактику, не говоря уже о Вселенной.
6. Черные дыры останавливают время
А вот это совсем и не миф. Вблизи черной дыры гравитация настолько сильна, что время для наблюдателя, находящегося рядом с ней, будет идти гораздо медленнее, чем для наблюдателя, находящегося далеко от неё. Этот вывод следует из общей теории относительности, которая трактует гравитацию, как искривление пространства-времени. Чем сильнее гравитация, тем больше искривление, и тем медленнее течет время.
Как это выглядит на практике? Представьте, что два брата-близнеца синхронизируют свои часы. Затем один брат (Вася) остается далеко от черной дыры, в месте, где гравитация слабая. А второй брат (Федя) приближается к черной дыре (но не пересекает горизонт событий). Если Федя сможет вернуться (все таки черная дыра!), то окажется, что на его часах пройдет гораздо меньше времени, чем у Васи. Если Федя проведет рядом с черной дырой несколько часов, то для Васи могут пройти годы, десятилетия или даже больше, в зависимости от того, насколько близко к черной дыре сунется Федя.
Если же Федя - совсем герой и решит бросится к горизонту событий, то наблюдающему за этим издалека Васе будет казаться, что Федя падает в черную дыру бесконечно долго. Вася быстрее умрет, чем Федя свалится в дыру. Но Феде уже будет все равно. Во-первых, для него самого время будет идти нормально, и он пересечет горизонт событий за конечной промежуток. А во-вторых, еще раньше он превратиться в спагетти.
Окончательный вывод
Черные дыры — это удивительные объекты, которые продолжают удивлять ученых и вдохновлять писателей-фантастов. Они не являются "космическими пылесосами", не вечны и не ведут в другие вселенные. Однако они играют ключевую роль в эволюции галактик и помогают нам лучше понять законы физики, включая общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую механику.
Мифы о черных дырах часто возникают из-за их загадочной природы и сложности для понимания. Но благодаря современным технологиям мы постепенно разгадываем их тайны.
Папа физик – проще о сложном.