КАК ПОЯВЛЯЮТЬСЯ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ???

Черные дыры - самые большие загадки Вселенной. Что они собой представляют? Как появляются и что - там, внутри? Почему из их плена не может вырваться даже свет? Пока что человечеству далеко до того, чтобы приблизиться к этим таинственным объектам и как следует изучить их. Но мы в нашем виртуальном путешествии вполне можем отправиться к черной дыре и даже прыгнуть в неё.

Как появляется черная дыра?

Звезда светит и греет до тех пор, пока в её недрах происходят термоядерные реакции. Сила гравитации стремится сжать звезду, а выделение энергии в термоядерных реакциях приводит к давлению потока частиц, направленному изнутри звезды к её поверхности – оно противодействует сжатию. Так звезда в течение миллионов (для самых горячих звезд) и миллиардов (для средних и относительно холодных звезд) лет остается в стабильном состоянии:

Но вот топливо в недрах заканчивается, и звезда начинает перерабатывать водород, содержащийся во внешних слоях. Это приводит к её «раздуванию» до размеров красного гиганта. Наконец, звезда перерабатывает весь водород, термоядерные реакции прекращаются – и с этого момента больше ничто не препятствует сжатию ядра звезды. Процесс происходит стремительно, в доли секунды: ядро сокращается до шара диаметром всего в 10-30 км благодаря процессу нейтронизации, взрывается сверхновой и, если это звезда средней массы, остается быстро вращающаяся нейтронная звезда, или пульсар – объект чудовищной плотности, который быстрое вращение и возникающая при этом колоссальная центробежная сила удерживает от дальнейшего коллапса.

Звезды сравнительно небольшой массы, как наше Солнце, сверхновыми не взрываются. Они просто сбрасывают с себя внешние слои, становясь белыми карликами. А вот звезды самые массивные (в 20 и более раз тяжелее Солнца) коллапсируют и дальше, сжимаясь всё сильнее: сила притяжения между частицами в их ядре так велика, что даже сверхбыстрое вращение не может остановить процесс сжатия. Звезда просто исчезает, и остается область пространства- времени, обладающая невероятной гравитацией, которую не может преодолеть даже свет – черная дыра:

Черная дыра. Картинка из открытых источников.

Черную дыру нелегко изучить, поскольку она ничего не излучает: так называемая «скорость убегания», необходимая для того, чтобы преодолеть гравитацию (которая для Земли равна 11,2 км/сек), для черной дыры превышает скорость света. Вот почему даже фотоны светового излучения не могут из неё вырваться – и мы видим лишь пустое черное пространство.

Но как же тогда ученым удалось обнаружить черные дыры, если они невидимы?

Существование черных дыр предположил еще английский естествоиспытатель Джон Мичелл в письме, которое он послал в Королевское Общество. Письмо содержало расчёт, из которого следовало, что для тела с радиусом в 500 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов.

А в 1916 году немецкий ученый Карл Шварцшильд рассчитал гравитационный радиус, который есть у любого объекта, обладающего массой:

Если сжать объект, сконцентрировав всю его массу в столь малом объеме, что его плотность и, соответственно, гравитационная сила – станут настолько велики, то вторая космическая скорость для преодоления его притяжения превысит скорость света – то этот объект превратится в черную дыру.

Этот радиус называется гравитационным, или радиусом Шварцшильда.

Например, если Землю сжать до размеров арахиса, то наша планета станет черной дырой,

Земля, сжатая до размеров арахиса, превратилась бы в черную дыру. Кадр с канала Voice Power

и станет притягивать всё вокруг, заставив объекты вращаться вокруг себя с бешеной скоростью. Так и были обнаружены черные дыры: с помощью наблюдений за окружающими их объектами.

Например, наблюдая за двойными звездными системами, астрономы далеко не всегда могут увидеть обе звезды в телескоп и часто существование второй звезды обнаруживают, фиксируя вращение первой, видимой звезды вокруг какого-то центра массы. Иногда вторая звезда просто слишком мала – в этом случае и скорость вращения видимой звезды будет невелика. Но если звезда вращается очень быстро и явно вокруг массивного и компактного объекта – это означает, что в данной системе присутствует черная дыра.

Здесь может возникнуть другой вопрос: а как определяют скорость движения звезды по её орбите, когда зачастую она - из-за очень далеких расстояний - даже для наблюдателя в телескоп просто стоит на месте?

В этом ученым помогает анализ спектра излучения звезды и эффект Доплера.

Представьте сигналящую машину, направляющуюся в вашу сторону. Из-за движения автомобиля каждый следующий пик звуковой волны располагается всё ближе к вам, что создаёт иллюзию очень близкого расположения пиков друг к другу. Как итог, слуху кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — сигнал слышится очень высоким - на тон-два выше, чем он есть на самом деле.

Когда автомобиль проезжает мимо, иллюзия запускается в обратную сторону. Отдаление от нас создаёт впечатление увеличения расстояния между пиками. Такое искусственное удлинение звуковой волны обманывает слух, который воспринимает звук значительно ниже:

Наглядная демонстрация эффекта Доплера: при приближении объекта. издающего звук, звуковые волны - чаще, и соответственно, звук - выше. тоньше. При удалении наоборот - звуковые волны - реже и звук, соответственно, ниже.

Если увеличение или уменьшение частоты звука мы воспринимаем как повышение или понижение тона, то уменьшение ули увеличение частоты световых волн наш глаз видит как изменение цвета:

Эффект Доплера для света: когда источник света удаляется, световые волны растягиваются - и цвет для глаза смещается в сторону красного спектра, т.к. красная световая волна - более длинная. Когда источник света приближается - волны, накладываясь друг на друга, становятся чаще, короче - и мы видим синий цвет. Кадр с канала "Космос просто".

Когда звезда удаляется – её спектр смещается в красную сторону, а когда приближается – в синюю. Точные современные приборы позволяют, зафиксировав изменения спектра, рассчитать и скорость движения звезды.

Конечно, эффект Доплера для световых волн проявляется тогда, когда речь идет об очень больших скоростях. Давным давно в Европе был случай, когда водитель, остановленный полицейским за проезд на красный свет, уверял, что при быстром движении красный цвет воспринимается как зеленый, поэтому он ошибся - думал, что едет на зеленый сигнал светофора. По сути так и происходит, НО для того, чтобы глаз воспринимал красные лучи зелеными, нужно ехать со скоростью около 136 миллионов км/час!! Для автомобиля такая скорость, само собой, совершенно невозможна, но звезды двигаются и с такими, и с еще более высокими скоростями - потому-то по изменению спектра астрономы могут судить об их движении. (Тот водитель был все-таки оштрафован за превышение скорости - в принципе, логично!)

Также черная дыра, затягивая в себя газопылевые облака из космического пространства или из звезды-соседки, создает вокруг себя аккреционный диск:

Аккреционный диск вокруг черной дыры. Кадр с канала Наука PRO.

Аккреционный диск — структура, возникающая в результате падения диффузного материала, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело.

То есть вещество закручивается вокруг дыры подобно воде в раковине, которая закручивается вокруг сливного отверстия прежде, чем быть затянутой в воронку, и в этом аккреционном диске вещество, быстро вращаясь, разогревается до очень высоких температур – в десятки миллионов градусов. Часть массы вещества в этом диске переходит в излучение, причем – очень значительная часть, порядка 30-40%, и немножечко вещества - выбрасывается в виде релятивистского джета - потока газа, пыли и других частиц, который выходит из аккреционного диска черной дыры и движется со скоростью, близкой к скорости света, простираясь на огромные расстояния - до сотен тысяч световых лет.

Аккреционный диск вращается с огромной скоростью, почти доходящей до световой. Вещество благодаря такой скорости сильно разогревается и излучает в видимом, инфракрасном, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах - вот это излучение и видят астрономы, а невидимый глазу диапазон (рентгеновское, ультрафиолетовой излучение) - фиксируют современные телескопы.

Свет, исходящий от аккреционного диска, обладает особым спектром и сильной переменностью блеска - он отличается от света звезд. По движению газа можно определить массу центрального объекта и его размер. В случае, если это черная дыра, размер оказывается маленьким, а масса – внушительной.

С 2015 года астрономы научились фиксировать гравитационные волны, которые образуются при слиянии двух черных дыр: новейший лазерный интерферометр LIGO (гравитационно-волновая обсерватория MIT) оказался способным физически обнаружить колебания в пространстве-времени, вызванные мощными гравитационными волнами, создаваемыми двумя сталкивающимися черными дырами на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Открытие LIGO войдет в историю как одно из величайших научных достижений человечества.

А в апреле 2019 года астрофизики предоставили первый снимок черной дыры, расположенной в центре галактики Messier 87, в 55 миллионах световых лет от Земли:

Первая в истории подлинная фотография черной дыры. Источник: NASA.

Научный консультант проекта Хайно Фальке отметил, что сфотографированная черная дыра выглядит как врата ада.

"Создается ощущение, что ты смотришь на врата ада, на конец пространства и времени, на точку невозврата",

— сказал Фальке.

Сегодня практически никто из ученых уже не сомневается в существовании черных дыр. Однако эти объекты еще полны загадок. Если о недрах звезд, планет – мы что-то знаем или хоть можем предполагать на основании каких-то исследований, то внутренность черной дыры – полная тайна. Тот факт, что она своей гравитацией искажает пространство-время, дает пищу для самых фантастических предположений: что через черную дыру можно попасть в прошлое, в будущее, в другое измерение...

Наука и фантазии в фильме «Интерстеллар»

Герой нашумевшего фильма «Интерстеллар» Джозеф Купер, падая в черную дыру, попадает в прошлое и в другое измерение одновременно, где, сталкивая книги с полок в комнате своей дочери, пытается сначала остановить самого себя, а потом передает квантовые данные, собранные роботом Тарсом, закодировав их азбукой Морзе на стрелке часов. Конечно, сам прыжок Купера в черную дыру и его результат – просто фантазия режиссера, но некоторые факты в фильме отражены вполне по-научному: например - то, что на планетах близ черной дыры есть тепло и свет – в этом нет ничего необычного, т.к. аккреционный диск производит мощное излучение, подобно звездам.

Далее: на планете Миллер, близкой к черной дыре, течение времени сильно замедлено: один час на ней равен семи земным годам – это вполне возможно, ведь черная дыра искривляет пространство-время. Известный физик с мировым именем Кип Торн, работавший консультантом на съемках «Интерстеллара», действительно рассчитал теоретически возможную орбиту такой планеты.

Черная дыра Гаргантюа и планета Миллер близ неё. Кадр из фильма "Интерстеллар", США, 2014 год. режиссер: Кристофер Нолан. В фильме не учитывается эффект Доплера: на самом деле один край (ближний) аккреционного диска должен быть синим, а другой (дальний) - красноватым.

Распространенный вопрос по поводу планеты Миллер: такое замедление времени - 1 час равен 7 земным годам - возможно только вблизи объектов, обладающих огромной массой, например, на орбите черной дыры. Но нужно находиться совсем рядом с дырой, практически над ее поверхностью. А СТАБИЛЬНАЯ орбита вокруг черной дыры должна превышать диаметр Гаргантюа как минимум трижды. Иначе планету Миллер давно бы засосало внутрь. С учетом показанных в фильме кадров время на поверхности планеты должно течь медленнее, чем на Земле, но - всего процентов на двадцать.

Это верно в отношении невращающихся черных дыр, но с Гаргантюа все обстоит по-другому. Гаргантюа — сверхмассивная вращающаяся черная дыра, что несколько меняет ее воздействие на окружающее пространство. При определенных условиях, скажем, если она будет вращаться очень быстро, а планета Миллер — располагаться достаточно близко к циркулярной орбите Гаргантюа, такое замедление времени возможно, при этом планета может долгое время сохранять стабильную орбиту и не падать в черную дыру.

Еще один вопрос: Аккреционный диск очень горячий. Как же тогда планета Миллер не поджарилась, а вместе с ней - астронавты?

Ответ: возможно, с момента, когда последняя звезда попала в гравитационные тиски Гаргантюа, прошло несколько миллионов лет. Тогда газ, составляющий диск, остыл до температуры в несколько тысяч градусов и уже не излучает такой сильной радиации, хотя продолжает давать достаточно света и тепла. Низкой температурой объясняется и блеклость диска.

А теперь - попробуем прыгнуть внутрь черной дыры вслед за Купером.

Падение в черную дыру

Представим, что мы с другими астронавтами на корабле, подобном «Эндюрэнсу», приблизились к черной дыре., которая находится в центре нашей галактики Млечный Путь - Стрелец А*. Звездолет остался на достаточном расстоянии, а мы отважились отсоединиться от корабля и прыгнуть внутрь загадочного объекта. Как будет происходить наше падение?

В первую очередь - мощное излучение, испускаемого аккреционным диском, мгновенно ослепит нас и сожжет; кроме того, плазма, разогретая до миллиардов градусов, в тысячную долю секунды не оставит от нас ничего. Поэтому вообразим необыкновенный сверх-прочный и сверх-жаростойкий скафандр, и шлем с фантастическими светофильтрами, которые снижают яркость диска настолько, что позволяют нам видеть его в деталях, а также делают излучение почти безвредным для глаз, и продолжим прыжок. Что мы увидим?

Прежде всего – светящийся аккреционный диск преимущественно синего цвета, особенно в передней его части:

Аккреционный диск синего цвета. Правда, дальний край должен казаться не только тусклее, но и краснее - из-за упомянутого выше эффекта Доплера. Кадр с канала Voice Power.

Благодаря эффекту Доплера передний край диска будет казаться нам синим, но цвет дальней его части должен, по идее, быть ближе к красно-оранжевому, т.к. его световые волны быстро удаляются от наших глаз.

Далее мы видим, что задняя часть аккреционного диска искажена, будто бы изогнута вдоль горизонта событий (о нем - ниже), формируя кольцо света. Эффект обусловлен сильной гравитацией черной дыры. Которая отклоняет и искривляет лучи света, как линза, только – гравитационная:

Стрелкой показано искривление световых лучей. Кадр с канала Voice Power.

Это означает, что, смотря в одном направлении, мы увидим объекты, расположенные в другом:

Глядя вверх, мы увидим то, что находится намного ниже. Кадр с канала Voice Power.

Первые 10 минут падения нам будет казаться, что черная дыра не приближается, а, наоборот, отдаляется от нас, что объясняется эффектом аберрации света: при быстром движении мы видим встречные предметы под другими углами зрения. Как, например, находясь в движущемся автомобиле, мы бы увидели мяч, брошенный точно со стороны – под углом 90 градусов – брошенным как будто спереди – под острым углом:

Действительная (вверху) и кажущаяся водителю (внизу) траектория полета мяча. брошенного под прямым углом. Кадры с канала Voice Power.

То же происходит и с лучами света: они доходят до нас со всех сторон, но из-за нашего быстрого движения нам представляется, будто лучи идут к нам в основном спереди:

То же явление со световыми лучами, аберрация света. Кадр с канала Кадр с канала Voice Power.

Спустя 10 минут черная дыра уже видимо приближается к нам. А наша скорость составляет 4% скорости света, т.е. 12 000 км/сек, и она растет. Яркость диска всё сильнее, а его цвет – всё ближе к сине-фиолетовому. Но когда пройдет около часа с начала нашего падения (57 минут) – диск начнет угасать. Здесь гравитация настолько сильная, что всё, достигающее этой точки, в том числе свет – быстро по спирали затягивается и падает в дыру:

Лучи света быстро затягивает в дыру по спирали. Кадр с канала Voice Power.

Скорость падения быстро увеличивается, и всего через две минуты мы – вдвое ближе к горизонту событий, на границе фотонной сферы. Свет даже может вращаться вокруг дыры на этой границе, но, пересекая её, он обречен попасть внутрь:

Граница фотонной сферы: лучи света даже могут вращаться на этой границе.

То, что лучи света могут вращаться, означает, что мы в этот момент можем увидеть свой затылок – ведь отраженный от него свет, сделав круг, попадет нам в глаза.

Нашим товарищам-астронавтам, оставшимся на корабле, будет казаться, что мы падаем очень медленно – для них наше падение растянется во времени. Наш силуэт будет становиться все тусклее и все более красным – пока не исчезнет на горизонте событий, т.к. свету будет все труднее и труднее выбираться из гравитационного плена черной дыры, световые волны будут становиться всё более редкими и длинными. Отсюда – снижение яркости и переход в красный спектр цвета:

Таким будут видеть наш силуэт астронавты, оставшиеся на корабле - всё более тусклым и краснеющим. Кадр с канала Voice Power.

Наконец – самая таинственная часть путешествия в черную дыру – пересечение горизонта событий, которого мы достигнем через 24 секунды после пересечения фотонной сферы. Отсюда – уже нет возврата. Даже свет не сможет отсюда вырваться. Потому-то астронавты с корабля никогда не увидят, как мы пересекаем горизонт событий. Наш силуэт для них постепенно исчезнет, но не пересечет этой границы между светом и тьмой. Нам не послать оттуда сингал: он навечно останется в пределах черной дыры и не сможет покинуть её. С этого момента мы – исчезли из известной человечеству Вселенной.

Пересечение горизонта событий. Кадр с канала Voice Power.

Однако для нас самих Вселенная еще не исчезла. Поскольку извне свет попадает в черную дыру, то мы видим и окружающие звезды, и корабль, и свои собственные стопы: внутри черной дыры свет может двигаться вверх. Глобально черная дыра искривляет пространство-время и затягивает всё внутрь, к центру, но локально пространство-время остается практически плоским (кривизна совсем незначительна) и не мешает движению световых волн во все стороны.

Так что нам даже сложно будет понять, когда именно мы пересекли горизонт событий. Когда мы окажемся внутри черной дыры, мы не увидим себя посреди темного пространства в окружении края аккреционного диска, как это может показаться. Дыра будет занимать в нашем зрительном пространстве не более 15%, примерно вот так:

Внутри черной дыры. Кадр с канала Voice Power.

Это – благодаря всё той же аберрации света, которая создавала иллюзию удаления черной дыры от нас в первые 10 минут падения. Но это – в первые мгновения.

По мере приближения к центру черной дыры, к так называемой точке сингулярности, где кривизна и плотность пространства-времени становятся бесконечными величинами, Вселенная будет постепенно сжиматься позади нас,

Сжатие Вселенной позади нас, при приближении к центру черной дыры. Кадры с канала Voice Power.

пока, может быть, не превратится в точку.

Гравитация в центре черной дыры уже достигает таких невообразимых значений, что ноги будут затягиваться в центр сильнее, чем голова. Наше тело вытянет, как спагетти, и – увы, разорвет.

Существует гипотеза, что если астронавт попадет во вращающуюся сверхмассивную черную дыру, то он теоретически может выжить, если конечно, у дыры есть, например, выход с другой стороны – другое измерение, другое время или другая точка Вселенной... Это пока только гипотезы. Что находится внутри черной дыры и куда может попасть тот, кто туда упадет – пока что тайна, покрытая такой же кромешной тьмой, какую мы видим вы этих гравитационных ловушках, не отпускающих от себя даже свет.

Ученые считают, что родственники черных дыр - кротовые норы - тем и отличаются, что, в отличие от черных дыр, имеют выход с другой стороны. Существование кротовых нор пока не доказано, но есть теория, что может существовать некий короткий путь в пространстве, соединяющий две точки - в другом измерении. Для наглядности, что такое кротовая нора, наше трехмерное пространство изображают двумерным, тогда кротовая нора - проходит через третье измерение:

Кротовые норы, если они существуют, могут сократить расстояния: по обычному пространству путь займет тысячелетия. а через кротовую нору - возможно, всего несколько лет или даже месяцев..

Режиссеры-фантасты уже вовсю пользуются такими норами, или гиперпространством: например, в фантастическом сериале «Вавилон-5» расстояние от станции «Вавилон-5» до Солнечной системы составляло 25 световых лет, а через гиперпространство - кротовую нору - его преодолевали всего за два земных дня.

Насколько всё это реально - узнают наши потомки в будущем.

Подписывайтесь, Ставьте Лайки, и делитесь своим мнением.