Согласно современным научным представлениям черная дыра – это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой столь велико, что покинуть еë не могут объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света.
Однако, чем сильнее гравитация объекта, тем медленнее течет время в его окрестности, так уж устроено четырехмерное пространство-время во Вселенной. При попадании любого предмета в область черной дыры его будет сжимать и растягивать гравитация. Чем выше скорость объекта, тем больше его масса. Так что для всех объектов, которые движутся на очень высоких скоростях, время существенно замедляется. За лишнюю минуту, проведенную наблюдателем у сверхмассивной черной дыры, на Земле могут пройти столетия!
Черная дыра звездной массы в десятки раз тяжелее Солнца (рис.1). Однако радиус ее очень мал – всего несколько километров. Типичной разновидностью черных дыр, которые открывают спутники Института космических исследований РАН (ИКИ РАН), коллаборация TAIGA, созданная на базе Тункинской обсерватории на средства мегагранта правительства РФ и Астрономического центра ФИАН, – это источники рентгеновского излучения в двойных звездных системах.
Причем в последних нужен источник вещества, который будет падать на черную дыру. Таким источником может служить обычная звезда, которая обращается в паре с черной дырой. С поверхности обычной звезды газ притягивается к черной дыре, падает на нее, формирует аккреционный диск и очень характерно себя при этом проявляет – быстрыми колебаниями яркости и высокой температурой (рис.2, а, б и в).
Удивительным является тот факт, что если рядом есть звезды, то черная дыра себя ярко проявляет, а если звезд нет, – то открыть ее практически невозможно. Такая дыра обнаруживает себя как источник гравитации и никаким иным образом. Оказываясь рядом с ней, световые лучи меняют направление, преломляются – это называется гравитационной линзой. Одиночная черная дыра может проявлять себя как гравитационная линза. Существует несколько проектов по поиску таких микролинз. В настоящее время не найдено ни одной одиночной черной дыры звездной массы. Но несмотря на это обстоятельство, вероятных черных дыр в парных системах найдены уже многие сотни.
Известные планетолог, математик Константин Батыгин и астроном-наблюдатель Майкл Браун выдвинули математический прогноз о том, что существует еще одна 9-я массивная планета в Солнечной системе. Но они никак не могут отыскать эту загадочную «планету X» (рис. 3). И возникает здравая идея, что это черная дыра: мы ее не видим, но она обладает солидной массой и находится где-то в этой части пространства. При этом Солнце постоянно выбрасывает из себя потоки плазмы – солнечный ветер. Эти потоки долго летят и, удаляясь от Солнца, встречаются с межзвездной плазмой. Образуется межпланетное газовое вещество, которое окружает Солнечную систему.
В том случае, если бы там путешествовала черная дыра, то она питалась бы этой смесью. Ее можно было бы увидеть, как источник рентгеновского и гамма-излучения. Однако этого Батыгин и Браун не видят. Учитывая вышесказанное, маловероятно, что рядом с нами есть черная дыра.
Согласно современным представлениям, на орбите вокруг черной дыры могут обращаться планеты – сотни и даже тысячи планет. Учитывая этот факт, классическим астрономом Сурдиным В.Г., выдвинута следующая гипотеза: «Если держаться на расстоянии двух радиусов черной дыры от ее центра, можно летать, как спутник вокруг Земли, и наблюдать окрестности. Но если мы подойдем к черной дыре ближе, чем на полтора радиуса, то неизбежно начнем по спирали приближаться, пока не упадем в нее...». Радиус черной дыры называют радиусом Шварцшильда, а ее поверхность – горизонтом событий.
Карл Шварцшильд – немецкий астроном, механик и оптик, математически рассчитав параметры черной дыры. Шварцшильд погрузился в изучение сложнейших уравнений Эйнштейна. Богатый опыт помог ему найти решение этих уравнений для случая, когда звезда заменяется гравитирующей точкой.
В начале Первой мировой войны он попал на фронт, потерял здоровье, заразился неизлечимой болезнью – пузырчаткой, которая со скоростью степенного пожара пожирала его жизненные силы. Но несмотря на это, уравнения Эйнштейна продолжали волновать ум смертельно больного астронома. Он искал новые решения для более реалистичного случая, когда звезда считается гравитирующим шаром, искривляющим вокруг себя пространство. И нашел! 22 декабря 1915 года ученый отправил свое первое точное решение Эйнштейну его уравнения.
6 февраля 1916 года Шварцшильд перед самой смертью успел послать Альберту Эйнштейну практически законченную статью о черных дырах – где было предложено второе точное решение уравнения для гравитирующего шара. В этом письме он указал о «странных вещах», обнаруженных им при решении уравнений. Расчеты показывали, что звезда с массой, равной массе Солнца, не может быть сжата в шар радиусом меньше трех километров. Но 11 мая 1916 года он скончался, так и не узнав, что станет знаменит и ученые будут ломать голову над открытой им сферой застывшего времени.
Природа, тем не менее, запретила даже мысленно приближаться к той границе, которую вскоре стали называть сферой Шварцшильда. На сфере Шварцшильда природа затормозила до нуля самый главный параметр нашего мира – его быстротекущее время.
Дальнейшие расчеты показывали, что горизонт событий – это сферическая граница, на которой достигается баланс между притяжением гравитационного поля черной дыры и силой света, пытающегося покинуть ее. Горизонт событий проницаем лишь в одну сторону: сквозь него можно пролететь внутрь, но нельзя вылететь наружу.
Также, доцентом Сурдиным В.Г. было высказано следующее утверждение: «Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нем должны возникать потоки горячих частиц, испускаемых во Вселенную, – излучение Хокинга. Поэтому, хоть материя и не может вырваться за пределы горизонта событий, черные дыры тем не менее «испаряются». Любая черная дыра растет, потому что пустоты в космосе нет. Космическое пространство заполнено более или менее разреженным веществом, поэтому все черные дыры поглощают окружающее вещество. Одни – активно, если рядом есть звезда, с которой удобно стягивать газ, другие просто летают в космосе и потихоньку поглощают разреженный межзвездный газ. А раз поглощают, значит, растут. После процесса поглощения окружающего вещества, дыры начинают терять свою массу и постепенно исчезают.
Следовательно, за горизонтом событий пространство и время меняются своими свойствами. На Земле время безостановочно течет, а в пространстве мы можем оставаться на своих местах: сели на стул и никуда не перемещаемся. Но при этом время остановить не можем, оно все равно идет вперед. Пересекая горизонт событий, мы попадаем в совершенно иную ситуацию. Там уже, как ни пытайся, остановиться в пространстве не получится, какие бы реактивные двигатели нас ни тормозили. Теория относительности говорит, что, попав внутрь горизонта событий, мы будем падать к центру черной дыры независимо от своих условий. Пространство приобретает свойства времени, и все движения происходят только в одну сторону – к геометрическому центру, к сингулярности.
Колоссальная гравитация черной дыры звездной массы приводит к тому, что пространственная материя искажается внезапно, и вещество резко затягивается в черную дыру. Если мы начнем погружаться в нее, нас разорвет. Следует искать огромную черную дыру, чтобы этот же эффект распространялся на большую площадь пространства, и материя искажалась не так сильно.
Когда мы смотрим на кольцо Сатурна, мы видим ту его часть, которая находится ближе, чем сама планета (рис. 4). А дальнюю часть кольца мы не видим, потому что планета ее от нас закрывает. Но у черной дыры мы видим и дальнюю часть аккреционного диска, которая, казалось бы, должна быть закрыта всепоглощающим горизонтом событий. Дело в том, что идущие из-за черной дыры лучи света под действием колоссального притяжения огибают ее и попадают в наши телескопы. Таким образом, мы видим дальнюю часть кольца сразу с двух ракурсов, потому что приходящие лучи могут обогнуть черную дыру как сверху, так и снизу».
Также, кроме маленьких черных дыр звездной массы есть сверхмассивные черные дыры, которые весят как миллионы или миллиарды Солнц. Есть и третий вид, обнаруженный лет десять назад, – черные дыры промежуточных масс: 10000 солнечных масс. Находят их в центре шаровых звездных скоплений – это сравнительно небольшие объекты, насчитывающие сотни тысяч звезд. Такая «тихая» сверхмассивная черная дыра массой в 4500000 солнечных есть и в центре Галактики. На нее смотрят сквозь диск Галактики – обзор загораживают огромные облака газа и пыли (рис. 5). Чтобы получить это изображение ее аккреционного диска, восемь крупнейших радиообсерваторий планеты, объединившись в сеть, создали гигантский виртуальный телескоп с размером с земной шар. Можно также изучать движение звезд вокруг нее. За эту работу, которая велась 25 лет, астрофизик Роджер Пенроуз – «за открытие того, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности» и астрофизики Райнхард Генцель и Андреа Гэз – «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики» стали Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2020 году.
За создание теории аккреции вещества на черные дыры академик Рашид Сюняев получил в 2016 году Государственную премию Российской Федерации. А за изучение аккреционных потоков вблизи черных дыр сотрудникам ИКИ РАН член – корреспондентам РАН Марату Гильфанову и Евгению Чуразову в 2017 году была присуждена премия имени А.А. Белопольского РАН.
Также доцент Сурдин В.Г. высказал следующую гипотезу в интервью журналистам научно-популярного журнала «Кот Шредингера» (выпуск 2022 года): «…Все-таки черная дыра намного массивнее Солнца, так что встреча с ней – это прежде всего потеря стабильности в движении объектов Солнечной системы…Черных дыр во Вселенной не так уж много, – около миллиарда (для сравнения: звезд в видимой Вселенной примерно миллион миллиардов) и разбросаны они далеко от нас. Солнечная система живет пять миллиардов лет и пока ни с одной черной дырой близко не встречалась, так что впереди нас, вероятнее всего, ждет еще несколько спокойных миллиардов лет…».
Червоточина, или кротовая нора – это еще одно решение уравнений Эйнштейна, первым из которых как раз являются черные дыры. Второе выглядит так: две точки пространства могут быть объединены очень сильно деформированной областью пространства-времени. Каждая из этих точек будет выглядеть снаружи как черная дыра, то есть место, куда можно нырнуть и не вынырнуть. Но на самом деле там нет сингулярности и две дыры связаны между собой туннелем. Нырнув в один туннель, в принципе, можно вынырнуть через другой (рис. 6).
Причем такое путешествие займет гораздо меньше времени, чем движением от одной точки к другой по обычному пространству. Однако это решение очень неустойчиво.
Так же и нырнувший в кротовую нору наблюдатель создаст малое колебание геометрии пространства-времени – туннель схлопнется и перестанет существовать.
И если бы можно было взять наблюдателю с собой некоторого количества антигравитационной темной энергии, то туннель для путешествия между различными точками Вселенной удалось бы стабилизировать.
Материалы собраны и подготовлены, доцентом кафедры «Электроэнергетика» ФГБОУ ВО «ЛГУ им. В.И. Даля» к.т.н. Парсентьевым О.С.
