Всем привет! Это канал «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Сегодняшняя тема – легенды и мифы о черных дырах. Черная дыра — это точка пространства, настолько массивная, что даже объекты, движущиеся со скоростью света, не могут избежать ее притяжения. Это явление уже много лет завораживает ученых и писателей-фантастов. Черные дыры существуют за гранью понятной нам физики, и потому вокруг них возникает много ошибочных или неточных представлений. О них сегодня и поговорим.
Что такое черная дыра?
Черная дыра— это финальная стадия существования гигантских звезд. Пытаясь объяснить их обычным людям, физики вынуждены прибегать к лирическим образам. Черная дыра – это физическое воплощение идеальной математики, особая область пространства-времени, это способ природы делить на ноль и так далее.
Черные дыры — это пример бесконечности в уравнениях физики. В сердце черной дыры – материя, собранная в одну точку бесконечной плотности, которая называется сингулярностью. Гравитационное притяжение этой точки настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.
Сила притяжения возрастает по мере приближения к объекту. Для того, чтобы преодолеть притяжение, нужно развить скорость. В случае притяжения Земли вторая космическая скорость составляет 11 км/с, а чтобы оторваться от поверхности Солнца, нужно лететь 617 км/с.
В определенный момент притяжение становится таким сильным, что его не преодолеть даже со скоростью света, 300 тысяч км/с. А по законам нашей вселенной ничто не может превысить эту скорость. Таким образом, после пересечения этой области возврата уже нет. Граница области притяжения черной дыры называется горизонтом событий. Мы не знаем, что происходит внутри, потому что фотоны света не возвращаются из этой области, и не приносят нам информацию. Их скорости не хватает, чтобы преодолеть это притяжение.
Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. Этот радиус и считается характерным размером чёрной дыры.
Таким образом, черная дыра – это бесконечно крошечный шарик сингулярности в центре, и область притяжения внутри радиуса Шварцшильда вокруг него.
Оказавшись внутри горизонта событий, ничто не может вернуться назад: пространство-время искривлено массой черной дыры таким образом, что любой выбранный вами путь ведет к одному и тому же месту: сингулярности.
Откуда берутся черные дыры?
Мало кто понимает, как звезды коллапсировали так, чтобы образовались черные дыры. Мы не понимаем, что такое сингулярность в сердце черной дыры. Когда мы пытаемся применить обычную математику, ключевые расчеты полностью терпят крах, а физические уравнения уходят в бесконечность, поскольку прекращается само пространство и время.
Звезды в своих ядрах превращают водород в гелий путем синтеза, который производит огромное количество энергии; это уравновешивает внутреннее притяжение и сохраняет стабильность звезды. Однако по мере старения звезды водород в ядре начинает заканчиваться, реакции синтеза замедляются, и под действием гравитации звезда начинает «схлопываться», коллапсировать. Звезда достаточной массы может запустить новый цикл синтеза в своих недрах, который будет производить все более тяжелые элементы и превратит звезду в красного гиганта или сверхгиганта. Однако даже это не может продолжаться вечно. Достаточно массивные звезды могут в конечном итоге превратить кремний в железо. Но производство элементов тяжелее железа путем синтеза идет уже с поглощением энергии, а не ее выделением, поэтому как только звезда накапливает достаточное количество железа, синтез прекращается, и ядро полностью разрушается само по себе. Происходит взрыв сверхновой, который срывает большую часть внешних слоев звезды и оставляет после себя коллапсирующее ядро.
Судьба оставшегося ядра зависит от массы звезды. Более легкая звезда, такая как Солнце, становится белым карликом из вырожденной материи, который в течение триллионов лет будет медленно остывать до черного карлика. Наше Солнце станет черным карликом примерно через 1 квадриллион лет. У звезд с ядрами, вес которых более чем в 1,4 раза превышает массу Солнца, гравитация объединит электроны и протоны, образуя нейтроны, в результате чего возникнет нейтронная звезда. Звезды, масса ядра которых превышает предел двух-трех масс Солнца, настолько массивны, что даже нейтроны не могут противостоять дальнейшему коллапсу; звезда коллапсирует до горизонта событий, а за ним до сингулярности.
Такова модель формирования «обычных» черных дыр. Предполагается, что в центре каждой галактики есть сверхмассивные черные дыры. Их масса настолько велика, что не вписывается в данную модель. Скорее всего, сверхмассивные черные дыры возникли еще до того, как образовались галактики.
Черные дыры могут сливаться, из множества маленьких черных дыр получается одна большая. На самом деле это неизбежный результат слияния галактик и, вероятно, источник квазаров. В какой-то момент примерно через 4 миллиарда лет это произойдет с галактиками Млечный Путь и Андромеда.
Наука о черных дырах
На протяжении десятилетий существование черных дыр было исключительно теоретическим. Их концепция постоянно менялась в соответствии с появлением новых научных теорий и школ мысли.
Черные дыры — это одно из предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. И даже в ее контексте некоторые теоретики выражали сомнения в отношении их классической модели. Одним из таких теоретиков изначально был сам Эйнштейн, довольно решительно отвергавший предположение о черной дыре. Черные дыры просто не имели смысла, особенно то, как они искажают наше текущее, вполне обоснованное, понимание пространства и времени.
Это значит, что другие теории относительности и гравитации могут и не допускать подобных эффектов. Во Вселенной, где возможны путешествия со скоростью выше скорости света или антигравитация, черных дыр не будет существовать.
И до февраля 2016 года, до первого обнаружения гравитационных волн, не было строгих доказательств того, что черные дыры существуют. Были тяжелые слабоизлучающие объекты («кандидаты в черные дыры»), но не было доказательств, что это именно искомый объект со своей физикой, а не просто обычна звезда с низким уровнем излучения внутри огромного облака газа.
В 2019 году было опубликовано первое в истории изображение черной дыры. Оно было сделано телескопом Event Horizon и совместным усилием нескольких университетов по всему миру. Мы смогли сфотографировать черную дыру в центре далекой гигантской галактики M87, находящейся на расстоянии 500 миллионов триллионов километров. За этим последовала публикация в 2022 году фотографии сверхмассивной черной дыры Стрельца A* в центре нашей галактики Млечный Путь.
Насколько велика черная дыра?
Размер черной дыры, то есть радиус ее горизонта событий, зависит от ее массы, вращения и заряда. Радиус типовой невращающейся черной дыры рассчитывается по простой формуле: 3 километра радиуса на каждую солнечную массу. Таким образом, черная дыра с массой, равной массе Солнца, имеет радиус горизонта событий 3 километра (6 км в диаметре).
Черная дыра с массой, равной Земле (0,000003 массы Солнца), будет иметь горизонт событий радиусом 9 миллиметров, размером с мелкую монету.
Черная дыра с массой в 4 миллиона солнечных, такая как Стрелец A*, находящаяся в центре Млечного Пути, будет иметь горизонт событий радиусом 12 миллионов километров, что составляет примерно пятую часть орбитального радиуса Меркурия. Соотношение массы этой черной дыры с массой нашего солнца такое же, как у человека с мухой.
В соседней с нами галактике M87, расположена черная дыра с предполагаемой массой в 6,4 миллиарда масс Солнца, будет иметь радиус 19,2 миллиарда км, больше, чем вся наша Солнечная Система.
Галактика NGC 4889 содержит сверхмассивную черную дыру с массой в 21 миллиард солнечных масс, что означает радиус 63 миллиарда километров, и в настоящее время является самой большой подтвержденной черной дырой в известной Вселенной.
Возможно, даже больше: яркий квазар TON-618, расположенный на расстоянии около 10,4 миллиарда световых лет, по расчетам, может содержать центральную черную дыру массой 66 миллиардов масс Солнца. Ученые называют ее «ультрамассивная чёрная дыра», потому что просто «сверхмассивная» — недостаточно сильное слово, чтобы описать этого гиганта. Ее радиус составит 1300 а.е., или 195 миллиардов километров. Для своего звездного окружения эта черная дыра – самый яркий объект. Энергия, излучаемая поглощаемым ей веществом, ярче чем все близлежащие звезды.
Черные дыры в фантастике
В силу того, что о черных дырах обычно говорят через аналогии и сравнения, в массовой культуре возникло много неверных представлений о них. Давайте попробуем разобраться.
Черные дыры на самом деле не дыры. Они никуда не ведут. Они не выглядят «дырами в небе», как в научной фантастике, их нельзя увидеть с популярного угла в три четверти. Если за черной дырой достаточно звезд, она будет выглядеть как большое черное пятно, возможно, с ореолом света, видимым снаружи, в зависимости от того, что находится на противоположной стороне от наблюдателя. В трехмерном пространстве черная дыра — это не диск, а сфера.
Черные дыры не черные. По крайней мере, не в том смысле, в котором мы обычно думаем. Никакой свет не может выйти за пределы горизонта событий, но если у черной дыры есть аккреционный диск, вещество в диске светится очень ярко из-за огромного тепла и другого излучения, и, таким образом, такая черная дыра может быть одним из самых ярких объектов во Вселенной.
Они не плоские, как на картинках. Можно представить черную дыру как крошечную сферу, а горизонт событий – как оболочку вокруг нее. Как только что-то попадает в оболочку, то застревает. Для наблюдателя сто стороны оно будет выглядеть точно так же, как его видели последний раз.
Часто черные дыры представляют как водовороты, засасывающие все вокруг. Но звезды не приобретают никакой силы всасывания, когда становятся черными дырами. Их масса оказывает такое же гравитационное воздействие, как звезда, планета или любой другой объект такой же массы. Если бы наше Солнце вдруг превратилось в черную дыру такой же массы, Солнечную систему не «засосало бы». Орбита Земли осталась бы точно такой же, как и сейчас, и для планеты ничего бы не изменилось (с точки зрения гравитации, но в отсутствие тепла и света, конечно, жизнь на Земле бы пропала).
Но это конечно неинтересно! В фантастике черные дыры работают по-другому. Иногда они просто всасывают все вокруг себя, как гигантские космические пылесосы. Они могут засасывать планеты, или угрожать всей Галактике.
Блуждающие черные дыры часто выступают в фантастике как оружие. Могущественная цивилизация может превратить звезду в черную дыру, и гравитационное притяжение в космосе мгновенно возрастет. Все вокруг начинает неумолимо проваливаться в бездну несмотря на то, что масса черной дыры осталась такой же, как и была у звезды.
Также, черная дыра в фантастике удобно закрывается в конце произведения – как настоящее отверстие, ее можно чем-то «заткнуть», чтобы ликвидировать угрозу для человечества.
В массовой культуре черная дыра представляет собой настоящую дыру в пространстве, и героям вполне возможно войти в черную дыру и безопасно покинуть ее. Иногда она представляется совершенно плоской, игнорируя тот факт, что наша Вселенная трехмерна. Релятивистское замедление времени обычно игнорируется или упоминается лишь мельком. Персонаж, входящий в черную дыру, может покинуть ее без искажения времени, в то время как те, кто остался снаружи, прекрасно видят, как объекты входят в черную дыру, не замедляясь и не замирая у горизонта событий.
Горизонт событий черной дыры часто воспринимается как некий «забор», стена вокруг черной дыры, которая отделяет обычный мир от необычного. По одну сторону «забора» действуют обычные законы физики, и можно сколь угодно близко приближаться к нему, главное не пересекать. Но стоит перелезть через эту стену, как физика ломается, и персонажи окажутся внутри черной дыры. Но горизонт событий — это не вещь, а место, где скорость убегания превышает скорость света, 300 000 километров в секунду. Сила притяжения и все связанные с ней эффекты возрастают по мере приближения к черной дыре. И для человека сила тяжести станет чрезмерной задолго до того, как начнут проявляться интересные эффекты, такие как замедление времени или неравномерное распределение притяжения, спагетификация.
Еще одно распространенное заблуждение состоит в том, что все звезды в галактике вращаются вокруг сверхмассивной черной дыры в центре, точно так же, как все объекты в Солнечной системе вращаются вокруг Солнца. Однако Солнце составляет 99,8 процента массы Солнечной системы. В центре галактики Млечный путь находится сверхмассивная черная дыра Стрелец А*. Несмотря на то, что ее масса эквивалентна 4,5 миллиона солнечных масс, но составляет всего 0,0001 процента от общей массы галактики. Следовательно, Стрелец А* никак не может существенно влиять на орбиты всех звезд в галактике. Если ее убрать, почти ничего не изменится. Строго говоря, все в нашей галактике вращается не вокруг сверхмассивной черной дыры в центре, а скорее вокруг центра масс галактики, который включает в себя сверхмассивную черную дыру (и которая оказывается в центре), но также и десятки миллионов звезд. Галактические траектории всех объектов в галактике обусловлены общей массой галактики, а не только массой черной дыры в центре.
Еще одно заблуждение, что все черные дыры сверхплотные. Это зависит от того, что мы подразумеваем под «плотностью». Если понимать плотность как массу черной дыры, деленную на объем внутри горизонта событий, то нет. Более массивные черные дыры могут иметь очень низкую плотность. Например, черная дыра в центре Млечного Пути имеет такую же плотность, как вода. Как ни странно, радиус Шварцшильда зависит от длины окружности, а не от внутреннего объема. Однако если "плотностью" мы называем способность поглощать материю, то все черные дыры бесконечно плотны, потому что все, что попадает в черную дыру, коллапсирует в бесконечно плотную точку в центре, в сингулярность.
Информационный парадокс
Есть еще одна особенность черных дыр, которая до сих пор вызывает много споров, — информационный парадокс черной дыры. Что происходит с информацией в черной дыре? То, что попало в нее, никогда не выйдет наружу. Более того, сложная система становится простой, частью сингулярности. Следовательно, куда-то должна деться вся энергия, затраченная на создание информации о пропавшей материи. «Информация» в данном случае – это не только данные и записи. Это и структура материи, разная конфигурация молекул и атомов. В черную дыру влетают разные атомы, каждый с информацией о своей структуре – а внутри черной дыры в сингулярности все однородное, без различия, а значит и без информации.
Стивен Хокинг считал, что информация теряется безвозвратно, что нарушит Первый закон термодинамики. Однако из-за причудливой природы черных дыр этот закон может быть нарушен, в рамках бесконечности. Другие теории предполагают, что информация будет «спрятана» за горизонт событий и высвобождается, когда черная дыра в конечном итоге испаряется, независимо от ее размера.
Такое объяснение парадокса информации делает космологию черных дыр еще более фантастической. В такой модели «ничто» за пределами Вселенной оказывается внутри черной дыры. Поскольку время и пространство бесконечно обширны в сингулярности черной дыры, это означает, что у Вселенной есть бесконечное пространство для роста. А что если мы находимся внутри черной дыры? Куда же тогда ведут черные дыры внутри нашей Вселенной? В результате получается что-то вроде матрешки, только невозможно сказать, где она начинается и где закончится. Наша вселенная может быть лишь одной из многих, вложенных в бесконечное число черных дыр, содержащих другие вселенные.
Некоторые ученые, занимающиеся теорией суперструн, и физики предполагают, что вся наша настоящая трехмерная или четырехмерная вселенная давно попала в гигантскую черную дыру, и мы все это время в ней находимся.
Питание от черной дыры
Еще одна новая тема в научной фантастике – это использование черных дыр как источников энергии. В массовом представлении черные дыры подобны гигантским пылесосам в космосе. На самом деле черные дыры являются самыми мощными источниками энергии во Вселенной, даже более мощными, чем сами звезды. Да, черные дыры не выпускают даже свет, но это верно только в том случае, если свет попадает за горизонт событий. Аккреционные диски вокруг черных дыр способны производить свет, пока есть постоянный источник питающей их материи. Когда материя падает в черную дыру, приливные силы растягивают ее и нагревают до чрезвычайно высоких температур, что приводит к мощному рентгеновскому излучению. В частности, сверхмассивные черные дыры, питаемые большим количеством материи, могут затмить целые галактики.
Даже сами черные дыры испускают собственную энергию, известную как излучение Хокинга. В совсем простом изложении это излучение - результат медленного испарения черных дыр из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий. При распаде элементарных на самой границе горизонта, с равной вероятностью частица может оказаться как внутри, так и с наружи сферы. Для того, чтобы черная дыра испарилась полностью, потребуется невероятно долгий период времени, более 10^64 лет. Космическая цивилизация будущего, вероятно, воспользуется этим источником энергии в умирающей вселенной, в которой больше не будет звезд.
Более сложная научная фантастика обычно опирается на одну из следующих реальных теорий.
Энергия высвобождается из материи, которая падает в черную дыру с аккреционного диска. Ее можно уловить и использовать. Черные дыры обладают магнитными полями, которые можно использовать для выработки энергии. Вращающиеся черные дыры производят вращательную энергию, которую можно извлечь. Если создать миниатюрную черную дыру, и подпитывать ее материей, то такой реактор позволит получить доступ почти к 100% энергии, содержащейся в этой материи по формуле Эйнштейна (E=mc2). В любом случае, намного эффективнее термоядерных котлов и даже солнечных батарей в сфере Дайсона.
Черную дыру можно использовать как безреактивный двигатель космического корабля, поместив ее в предполагаемом направлении движения, чтобы она тянула корабль за собой.
Конечно, все это требует технологий, способных противостоять экстремальным условиям вблизи горизонта событий, в том числе массивным гравитационным и радиационным полям и замедлению времени. Кроме того, в случае аварии такого двигателя в фантастике дело обычно заканчивается совсем плохо.
Заключение
Вот таким получилось краткое и дилетантское изложение основных фактов о черных дырах. На самом деле, в таком пересказе они кажутся настолько невероятными и ненаучными, что вряд ли кто-то поверил в их существование, если бы ученые не говорили обратного. Стоит напомнить, что каждый тезис этого изложения на самом деле подкреплен научными статьями и формулами, доступными лучшим умам нашей планеты. Даже противоречивые или опровергнуты теории находятся на переднем крае науки и продвигают наше понимание того, как устроена Вселенная.
Конечно, про черные дыры можно рассказывать бесконечно долго. В следующий раз буду рассказывать (и вместе с вами разбираться), можно ли использовать черные дыры как червоточины, и путешествовать с их помощью во времени и пространстве.
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
