Черные дыры - незримые могильники пространства и времени

Автор: Кулькова Светлана 05.04.2022 13:45

Интересное

В космосе существуют области пространства с невероятно мощной гравитацией, которая буквально засасывает в себя все, что находится рядом. Нет достоверных данных о том, что находится внутри этих областей просто потому, что никто и ничто не может вырваться из их глубин. Эти загадочные области пространства - черные дыры, и их по праву называют могилами материи.

Черная дыра - это завершающий этап эволюции массивной звезды, когда она под действием необратимых процессов схлопывается внутрь себя и образует чрезвычайно компактный объект с чудовищной гравитационной силой. Черная дыра ненасытна и поглощает любые объекты, подходящие слишком близко к ее границам. Черная дыра не излучает и не пропускает свет, поэтому остается невидимой для обычных телескопов. Присутствие ее в космосе фиксируется только при взаимодействии с ближайшими крупными объектами, странностями в движении звезд и необычном горячем свечении далеких объектов.

Любители научной фантастики склонны мечтать, что черные дыры  являются туннелями в пространстве и времени или служат порталами в другие Вселенные. Однако на самом деле все устроено гораздо сложнее..

Как образуется черная дыра?

Когда звезда с массой, превышающей примерно 30 масс Солнца, израсходует запасы топлива, она гибнет в ошеломляющей вспышке. При этом происходит сброс внешней оболочки звезды в окружающее пространство. После такой вспышки сохраняется оголенный остаток тяжелого ядра умирающей звезды. Если масса ядра при этом оказывается в 3 раза тяжелее нашего Солнца, то уже никакая энергия термоядерного синтеза не способна сопротивляться гравитации, и ядро продолжит неограниченно сжиматься (коллапсировать) вплоть до достижения "нулевого" размера и "бесконечной" плотности. Вся оставшаяся от звезды материя начнет засасываться внутрь образовавшейся гравитационной воронки (как вода в ванной, когда выдернули пробку).

Немецкий физик Карл Шварцшильд в 1916 году, в результате решений для общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема. Решение Шварцшильда было первым точным описанием классической чёрной дыры. Сам термин ввелся в обиход лишь с 1969 года, благодаря лекции американского физика Джона Уиллера. До этого черные дыры называли "коллапсарами" или "застывшими звездами".

Согласно теории относительности, опубликованной Альбертом Эйнштейном в 1915 году, сила тяготения искривляет пространство-время в окрестностях массивных тел, образуя этакую гравитационную яму - чем тяжелее тело, тем сильнее искривление ткани пространства. У черных дыр образовавшаяся яма оказывается "бесконечно" глубокой, и никакая упавшая в ее воронку частица уже не может ее покинуть. Именно поэтому такие объекты и назвали черными дырами, поскольку покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света.

Получается так, что накопив достаточную массу и плотность, коллапсар в конце концов захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, смыкая ткань пространства-времени и скрываясь таким образом от остальной Вселенной.

Искажение пространства-времени вблизи различных массивных тел

Может ли Солнце превратиться в черную дыру? Нет, для развития такого катастрофичного сценария Солнце должно быть в 20 раз массивнее. Только большие звёзды могут в конце своей жизни вспыхнуть как сверхновая, которая, в свою очередь, коллапсирует в черную дыру.

Строение черной дыры

По сравнению с самими звездами, черные дыры крошечные, потому что их масса сжимается в экстремально малый объем под действием непреодолимой гравитации. Радиус Шварцшильда - это радиус до которого надо сжать любой объект, чтоб тот стал черной дырой. Например, радиус черной дыры массой с планету Земля всего несколько миллиметров, а чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю ее массу до 3 километров.

При этом сжатый до экстремальных размеров объект, до радиуса Шварцшильда, приобретает скорость убегания с него (вторую космическую скорость), равную скорости света. Другими словами, чтобы вырваться из лап черной дыры, понадобится скорость выше скорости света! Сила притяжения черной дыры искривляет также и траекторию световых лучей, причем тем сильнее, насколько ближе эти лучи проходят от черной дыры. Если луч проходит совсем рядом с дырой, она может захватить его на круговую орбиту!

Время вблизи черной дыры течет намного медленнее, чем вдали от неё. Это происходит вблизи любых массивных тел, даже на поверхности Земли время течет на несколько микросекунд в день медленней, чем на космическом спутнике. Чем массивнее тело, тем эта разница становится больше. Представляете, какого уровня временные сдвиги происходят вблизи черной дыры?

Как правило, черную дыру делят на следующие составляющие: эргосфера, горизонт событий и сингулярность.

Области черной дыры

Эргосфера — область пространства-времени вблизи вращающейся чёрной дыры, расположенная между горизонтом событий и пределом статичности. Пока объект находится вне предела статичности (тихая область), он ещё может двигаться в свободном направлении, но пересекая его и попадая в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вместе с чёрной дырой. У не вращающейся дыры горизонт событий и предел статичности совпадают. Если же тело до образования черной дыры вращалось, то сохраняется и вихревое гравитационное поле. Черная дыра буквально заставляет вращаться близлежащее пространство-время, вовлекая в него близкие объекты.

Гравитационный колодец

Если около черной дыры обнаруживается скопление пыли и газа, то прежде чем просто упасть в черную бездну, всему этому веществу понадобится потерять свой угловой момент, поэтому оно начнет вращаться вокруг нее, формируя аккреционный диск, закручиваясь при падении по спирали и исчезая при пересечении радиуса Шварцшильда. От трения газ разогревается и начинает ярко светится в рентгеновском диапазоне, что делает черную дыру "видимой" для земных телескопов, работающих в этом диапазоне длин волн. Этим методом обнаружения черных дыр занимаются астрономы многие годы - исследуют источники рентгеновского излучения в космосе, выявляя кандидатов в черные дыры.

Черная дыра и звезда-донор в представлении художника

Горизонт событий - "точка невозврата", условная граница в пространстве, которая отделяет внутреннюю часть черной дыры от окружающей Вселенной. Здесь все пути частиц уже искривлены настолько, что направлены вниз, к сингулярности. Другими словами, горизонт событий отмечает край пропасти, после которого невозможно остановить падение в бездну.

В районе горизонта событий происходят странные вещи. Чтобы понять, что произойдет в ходе гипотетического полета внутрь черной дыры, следует иметь в виду, что в теории относительности нет абсолютного времени: у каждого наблюдателя оно свое. Например, если на падающее в черную дыру тело будет смотреть сторонний наблюдатель, то ему будет казаться, что тело замедляется и в конце концов практически останавливается у горизонта. Кажется, что само время на объекте идет все медленнее, а у горизонта событий и вовсе замирает. При этом для самого падающего объекта никакого замедления времени не будет. Он продолжит ускоренно падать и довольно скоро окажется раздавленным в центральной сингулярности.

Еще одна особенность: падающий объект для стороннего наблюдателя при приближении к горизонту событий будет все более тускнеть и краснеть, т.к. мощная гравитация смещает свет в красную область спектра. Для самого падающего объекта наоборот все окружающее приобретет фиолетовые оттенки. При пересечении границы тело в конце концов перестанет излучать видимый свет и исчезнет из поле зрения нашей Вселенной.

И наконец, Сингулярность - это все вещество черной дыры, собранное в бесконечно малую точку с бесконечной массой, плотностью и гравитацией в самом ее центре.

Падение тела в черную дыру приведет к его растяжению. Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени» популяризировал интересный термин для этого явления «спагеттификация». Предположим космонавт решился на погружение в черную дыру ногами вперед. Гравитационное поле за горизонтом событий настолько велико, что любое тело при погружении сюда подвергнется разрушительной деформации. Разница гравитационных воздействий на ноги и голову космонавта приведет к тому, что растянет его тело в длинную макаронину (спагетти). За счет приливных сил ноги будут «падать» в центру черной дыры быстрее, чем голова, что в конце концов сначала разорвет тело горе-космонавта на части, а затем разложит останки на атомы, которые устремятся к точке сингулярности.

Спагеттификация

Самое интересное в том, что у гипотетического путешественника есть маленький шанс выжить при пересечении границы черной дыры. Предполагается, что в очень больших сверхмассивных черных дырах эффект растяжения тела слабо выражен, т.к. приливные силы не так экстремально изменяются с расстоянием и почти равномерно действуют на падающее тело. И если маленькая черная дыра быстро разложит тело на атомы еще на подлете к горизонту событий, то сверхмассивная черная дыра даст пожить космонавту немного подольше.

Но не надо обольщаться, в сверхмассивной дыре тоже начнется спагеттификация, но уже после горизонта событий, при подлете к сингулярности. Правда рассказать о своем опыте у космонавта-исследователя никак не получится, поскольку "ничто не может покинуть черную дыру" (но это не точно :) - смотрим рассуждения Стивена Хокинга об испарении черных дыр).

Много ли таких дыр во Вселенной?

Только в нашей Галактике около 300 миллиардов звезд. Каждая тысячная из них имеет массу, достаточную для образования черной дыры. За время существования Млечного Пути здесь могли появиться около 100 миллионов таких могильников материи.

Первой наблюдаемой астрономами черной дырой стал объект Cygnus X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. С момента своего открытия в 1962 году двойная рентгеновская звезда Лебедь X-1 была одним из наиболее интенсивно изучаемых космических источников рентгеновского излучения. Примерно через десять лет после своего открытия Лебедь X-1 занял свое место в истории астрономии, когда комбинация космических рентгеновских наблюдений неба (рентгеновской обсерватории Чандра и оптических наземных наблюдений Digitized Sky Survey) привела к выводу, что это была черная дыра.

Расположение объекта Cygnus Х-1 на небе в созвездии Лебедя

Положение и изображение черной дыры Cygnus X-1 на фоне Млечного пути

Credit: NASA/CXC (X-ray); Digitized Sky Survey (Optical)

Лебедь X-1 представляет собой рентгеновскую массивную двойную систему, которая содержит черную дыру массой порядка 15 солнечных и голубого сверхгиганта — его масса составляет около 19 масс Солнца. Объекты находятся на расстоянии 0,2 а. е. друг от друга. Оболочка сверхгиганта постоянно перетягивается черной дырой, создавая аккреционный диск вокруг нее. Внутренняя часть диска от трения разогревается до миллионов градусов и генерирует наблюдаемое рентгеновское излучение. Часть вещества уносится в межзвёздное пространство двумя джетами, бьющими перпендикулярно к диску.

Система Лебедь Х-1

С тех пор астрономами было поставлено на карандаш много подобных рентгеновских источников в двойных системах, где обычная звезда как предполагают вращается вокруг черной дыры. Но основной проблемой оказалась малая величина и трудность в отличии аккреционных дисков вокруг нейтронных звёзд и чёрных дыр, что приводит к неуверенной идентификации этих объектов как чёрных дыр.

Как показали многолетние наблюдения, Вселенная создает черные дыры широкого диапазона масс и размеров. Не ограничивается только умирающими звездами-гигантами, а рождает монстров в десятки миллиардов раз массивнее. Один из таких монстров расположен в центре нашей Галактики...

Но об этом подробнее в следующем материале Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик