Словосочетание «чёрная дыра» слышали многие. Их реальное существование – это одно из самых удивительных открытий современной астрофизики. При этом до сих пор чёрные дыры выступают предметом активных исследований и теоретических размышлений.
Но вот что же они представляют собой на самом деле, мало кто из простых обывателей понимает. А ведь космос буквально «усыпан» ими. Сегодня учёным известно о нескольких тысячах чёрных дыр. По некоторым оценкам в одном только Млечном пути могут существовать десятки миллионов чёрных дыр. О том, что такое чёрные дыры, какова их природа существования и что же находится внутри рассказал декан физического факультета Университета Лобачевского Александр Малышев.
Наблюдением за небом человечество занимается уже очень давно. Обычные звёзды хорошо видны в ночное время – они большие и яркие. Планеты, как правило, существенно меньше, и хоть они сами и не излучают свет, но отражают его, поэтому их тоже хорошо видно на небесной сфере. Благодаря отражённому свету сегодняшние учёные, да и простые любители астрономии могут видеть и гораздо меньшие объекты – кометы и астероиды. С чёрными дырами всё далеко не так просто.
«Чёрная дыра сама не испускает света и не отражает его, именно поэтому увидеть её в привычном понимании этого слова нельзя. Если говорить о терминологии, то словосочетание «чёрная дыра» впервые употребил Джон Уилер в 1967 году. Название настолько точно отражает суть, что им пользуются и по сей день. Чёрные дыры обладают уникальными свойствами – они чрезвычайно сильно искривляют пространство-время. Это искривление и есть то, что обычно называют гравитацией. Сильное искривление пространства-времени вблизи черных дыр приводит к ярким проявлениям довольно экзотических эффектов вроде замедления времени и искривления и даже закручивания света. Кроме того, слияние черных дыр рассматривается сейчас как наиболее вероятный источник гравитационных волн, которые впервые научились детектировать несколько лет назад», – рассказал Александр Малышев.
Внутри черной дыры – под ее горизонтом событий – гравитация становится настолько сильной, что уже ничто не может оттуда вырваться, даже свет. Есть мнение, что в этой области находится сингулярность – точка, в которую сжата вся масса черной дыры.
«Вместе с тем, чёрные дыры имеют свою классификацию – они различаются по массе. Самые тяжёлые – сверхмассивные чёрные дыры, которые, как считается, находятся в центрах абсолютного большинства галактик. Они могут иметь массу от нескольких сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Черные дыры промежуточных масс тяжелее нашего Солнца в десятки-сотни тысяч раз, и таких объектов известно не так много. Масса самых легких черных дыр измеряется несколькими единицами-десятками масс Солнца. На уровне гипотез обсуждается существование квантовых черных дыр, первичных черных дыр. Вероятно, их масса составляет ничтожные доли грамма», – сказал учёный.
Как же увидеть чёрную дыру, если она не излучает и не отражает свет? Несмотря на эти очевидные сложности, ученые научились «фотографировать» чёрные дыры. Помогает им в этом эффект гравитационного линзирования, когда-то предсказанный в рамках общей теории относительности. Эффект проявляется в том, что свет от каких-либо далеких объектов, попадая в область сильной гравитации черной дыры, сильно искривляется, закручивается вокруг нее, формируя при этом весьма характерную картину, которую как раз можно зафиксировать земными инструментами. Так уже получены микроволновые изображения двух черных дыр – в центре галактики М87 и в центре нашей галактики Млечный путь. Соответствующие изображения были опубликованы большой коллаборацией Телескопа горизонта событий (EHT) в 2019 и в 2022 годах. Довольно красиво это показано и в фильме «Интерстеллар» режиссёра Кристофера Нолана.
«Довольно часто вокруг чёрной дыры формируется аккреционный диск. Он образован газом и пылью, которые в падении на черную дыру закручиваются вокруг нее, разгоняясь до громадных скоростей. При этом по сути из-за трения различных слоев этого вещества друг о друга возникает их разогрев до температур, измеряемых миллионами и миллиардами градусов. Как результат, это раскаленное вещество начинает излучать не только и не столько видимый свет, сколько рентгеновские волны. Кстати, объект, известный астрономам как Лебедь X-1, является одним из ярчайших рентгеновских источников на небе, по-видимому, как раз вследствие вот такого механизма. А на иллюстрации мы видим искаженное гравитацией черной дыры изображение плоского аккреционного диска», – объясняет Александр Малышев.
Несмотря на то, что за последние десять лет учёные достаточно далеко продвинулись в изучении чёрных дыр, однозначного ответа на вопрос, что же у них внутри, под горизонтом событий – пока нет.
«Общая теория относительности описывает чёрные дыры и их свойства на основе математических уравнений, но на практике мы не можем напрямую наблюдать внутренние области чёрных дыр и их возможную сингулярность. Увы, никому не дано заглянуть под горизонт событий. Даже если представить себе какую-то экспедицию, которая туда отправится, то мы, к сожалению, никогда не сможем получить от нее никакого сигнала: и вещество, и излучение горизонт событий пропускает лишь в одну сторону – в черную дыру», – отмечает Александр Малышев.
