Известны случаи, когда фильмы предсказывают события, которые на самом деле потом происходят. В 2014 году вышел, пожалуй, самый известный в современном кинематографе фильм, события которого разворачиваются за пределами нашей планеты, – «Интерстеллар». В киноленте было показано множество явлений, происходящих в космосе: замедление времени на других планетах, межпространственные путешествия, чёрные дыры. И именно в отношении черных дыр «Интерстеллар» оказался пророческим.
Первые упоминания черной дыры
Что вообще такое – чёрная дыра и когда стало известно о её существовании?
Это космическое явление было предсказано много веков назад, сразу после появления теории гравитации Исаака Ньютона. Тогда учёные считали, что сила, притягивающая каждый объект к центру Земли, отличается от силы, благодаря которой планеты вращаются вокруг Солнца. В 1666 году Ньютон выдвинул теорию гравитации, согласно которой каждый объект притягивает другие объекты силой, известной как гравитационная и эта сила также отвечает за движение планетных тел вокруг Солнца.
Сразу после появления теории ученые задумались о существовании настолько массивного тела, что его гравитация окажется сильнее скорости света. Было выдвинуто предположение, что свет просто не сможет вырваться за пределы такого тела и оно будет казаться черным.
В статье, опубликованной в 1784 году, английский астроном Джон Мичелл выдвинул теорию о существовании в природе тел, диаметр которых более чем в 500 раз больше диаметра Солнца. Джон Мичелл писал:
«Если бы действительно существовали космические тела настолько больше Солнца, то весь свет, излучаемый таким телом, будет вынужден вернуться к нему под действием собственной силы гравитации.»
В своих трудах Мичелл назвал эти объекты «темными звездами».
В 1967 году известный физик Принстонского университета Джон Уилер ввел термин «черная дыра». Название было прекрасно описательным и очень запоминающимся, оно сразу стало популярным. Концепция черной дыры привлекала внимание всё большего числа физиков, астрономов, и ученых. Человечество задалось вопросами: возможно ли существование чёрных дыр и как на самом деле происходит их образование?
Рождение черных дыр
Черные дыры – это сверхплотные объекты с огромной массой. Для создания такого тела требуется чрезвычайное давление, которое, как правило, образуется из-за взрывов огромных звезд. Такие звёзды должны быть минимум, в 20 раз больше массы нашего Солнца. То есть, черная дыра – это по сути остатки массивной умершей звезды. А чтобы превратиться из звезды в чёрное сверхплотное тело, внутри звезды должны произойти некоторые процессы.
Термоядерная реакция
В течение своей долгой жизни звезда существует за счет топлива, которое создает сама. Звезды получают это топливо посредством процесса, называемого ядерным синтезом.
Окружающая среда внутри звезды горячая и экстремальная, а ее внутренние молекулы движутся хаотично и с огромной скоростью. Эти молекулы начинают сталкиваться и объединяться, создавая более тяжелые элементы.
Когда эти атомы элементов сливаются вместе, они создают дополнительную энергию и испускают ее в виде мощного излучения. Процесс слияния легких атомов в более тяжелые и называется термоядерной реакцией.
Медленная смерть звезды
Когда звезда создает и сжигает свое ядерное топливо, она генерирует постоянную мощную энергию, текущую наружу. Но поскольку звезды чрезвычайно велики и массивны, они обладают очень сильной гравитацией, которая засасывает всё внутрь себя.
Итак, звезда постоянно сохраняет свою структуру и остается живой, борясь с собственной внутренней гравитацией с помощью своей же внешней энергии.
В конце концов, у звезды заканчиваются молекулы, которые можно превратить в ядерное топливо, и начинается её медленная смерть. Топливо уже закончилось, а гравитация все еще остается прежней и начинает побеждать. Огромный вес звезды схлопывается внутрь себя на околосветовой скорости и создает разрушительный взрыв, называемый «Сверхновой звездой».
Оболочка звезды срывается, и вся её масса обрушивается на ядро звезды.
Звездный материал весь втиснут в удивительно маленькое пространство, которое настолько уплотнено, что наш человеческий мозг не может его постичь. Это и есть чёрная дыра.
Строение чёрной дыры
Несмотря на свое название, черная дыра – это не просто дырка в космосе. Как мы уже знаем, это объект, который обладает сверхмощной гравитацией. Эта гравитация не позволяет привычным нам материям вырываться наружу, как бы притягивая и «съедая» всё, что приближается к её оболочке.
Чтобы лучше представить строение чёрной дыры, представим её в виде рисунка:
Горизонт событий – это и есть та самая оболочка чёрной дыры. Это место, где она начинается. Если хотите, это входная дверь в черную дыру.
На изображении показана шарообразная структура, которая создана для того, чтобы помочь вам понять эту концепцию.
За горизонтом событий масса, давление, плотность, гравитация и все остальное настолько сильны, что ничто больше оттуда не может ускользнуть, включая сам свет.
Итак, когда черная дыра засасывает близлежащую материю, та стягивается за горизонт событий. Из-за огромной гравитации целые звезды и даже галактики могут быть затянуты за внутрь черной дыры.
Аккреционный диск
Звезды и другие космические тела часто проходят достаточно близко от черных дыр, чтобы те разрушали их своим гравитационным полем. Разрушение это сопровождается попаданием веществ космических тел в пространство вокруг черной дыры и образованием кольца из сильно разогретой ударениями друг о друга материи объектов. Это кольцо называется аккреционным диском.
Релятивистский луч
В процессе «поедания» звёзд, в чёрную дыру затягивается огромное количество её материи. Если звезда оказалась больших размеров, разогрев аккреционного диска может стать настолько сильным, что вещества в нём становится плазмой. Часть этой плазмы выбрасывается в стороны от черной дыры в виде так называемых струй, лучей или джетов. В некоторых наиболее мощных событиях такого рода скорость движения вещества в струе может приблизиться к световой, достичь сотен тысяч километров в секунду. Тогда такой луч называют «релятивистским».
Сингулярность
Особенность черной дыры заключается в том, что весь ее материал в конечном итоге собирается в одной точке. Вся материя умирающей звезды при взрыве сжалась в крошечное пространство и теперь вся материя внутри черной дыры, в конечном итоге, схлопывается в точку.
Все законы астрономии и физики, которые мы изучали сотни лет, здесь полностью бессильны и все, что мы знаем на Земле, там не имеет никакого смысла.
Конечно, это лишь предположение, основанное на математических и физических вычислениях. Поскольку по очевидным причинам астронавты не могут проникнуть внутрь черной дыры и мы очень мало знаем о сингулярности.
Причём здесь «Интерстеллар»?
Почему же фильм 2014 года оказался пророческим в отношении черных дыр? Дело в том, что именно компьютерная модель, созданная для этого фильма абсолютно точно предсказала, как выглядит это космическое тело на самом деле. А первые настоящие снимки чёрной дыры были сделаны лишь спустя 5 лет после выхода фильма.
Путем вычислений и привлечением самых именитых астрофизиков сценаристы «Интерстеллара» получили модель черной дыры. Кристофер Нолан привлек к созданию фильма Кипа Торна, лауреата Нобелевской премии в области физики. Над визуализацией работала команда из 30 человек и было создано специальное программное обеспечение, позволяющее построить компьютерную модель горизонта событий. На производство одного кадра тратилось около 100 часов, а для создания всей модели потребовалось обработать 800 терабайт данных.
В серии статей, опубликованных 10 апреля 2019 года в Astrophysical Journal Letters, команда астрофизиков показала изображения сверхмассивной черной дыры, находящейся в центре соседней галактики Мессье 87. Эта чёрная дыра получила имя Поэхи, что с гавайского переводиться как: «Необъятная черная воронка».
Из этих изображений астрофизики выяснили, что объект на снимках примерно в 6,5 миллиардов раз массивнее нашего Солнца. Чёрная дыра из фильма, названная Гаргантюа, по подсчетам астрофизика Кипа Торна имеет массу в 100 миллионов солнечных.
И в «Интерстелларе» и на снимках мы видим вращающиеся чёрные дыры, то есть космические гиганты не просто статично находятся в космосе, а еще оборачиваются вокруг собственной оси, как планеты. Если рассмотреть полученные изображения, то мы увидим, что аккреционный диск вокруг горизонта событий неравномерный - это и подтверждает, что Поэхи вращается.
До этих снимков нельзя было с уверенностью утверждать, как именно выглядят черные дыры, только создавать модели на основе математических вычислений. И вот, в 2019 году, спустя 5 лет ученые получили первые реальные фотографии черной дыры и оказалось, что прототип из «Интерстеллара» максимально приближен к действительности. Не удивляйтесь, что снимки и компьютерная модель выглядят немного по-разному. На реальных изображениях мы как бы смотрим на черную дыру сверху, то есть с её полюса, когда как на Гаргантюа вид открывается спереди – с экватора.
А если Вы или Ваш ребенок интересуетесь космосом и процессами, которые там происходят, регистрируйтесь на наш детский онлайн-курс «Космос».