10 интересных фактов о черных дырах

Из всех странных объектов, существующих во Вселенной, черные дыры, без сомнения, самые странные. В 1971 году был обнаружен галактический источник рентгеновского излучения Лебедь X-1 в созвездии Лебедя, что перенесло черные дыры из чисто теоретического явления в физическое. Тем не менее черные дыры продолжают сохранять свою загадочность и оставаться объектами из области научной фантастики.

Например, эти таинственные объекты настолько плотные, что сингулярность в центре черной дыры представляет собой одномерную точку, которую нельзя адекватно описать законами физики в том виде, в каком мы их знаем. Кроме того, сохраняя безопасное расстояние от горизонта событий черной дыры, космический корабль может путешествовать на столетия вперед относительно Земли, хотя для людей на борту казалось бы, что прошло всего несколько часов.

С учетом сказанного, давайте углубимся в тему и обсудим с вами 10 интересных фактов о черных дырах.

Как образуются черные дыры?

Если кратко, то массивная звезда схлопывается сама на себя. Если более подробно, то черная дыра образуется, когда у большой звезды заканчивается топливо, и она начинает коллапсировать под действием собственной гравитации. В итоге может сформироваться белый карлик или нейтронная звезда, но если коллапсирующая звезда достаточно массивна, то она может продолжать уменьшаться и в конечном итоге сжаться до размера крошечного атома, известного как гравитационная сингулярность.

Черная дыра относится к области в космическом пространстве, в которой гравитационная сила сингулярности настолько сильна, что даже свет не может избежать ее притяжения.

Что находится внутри черной дыры?

Сингулярность в ядре черной дыры может уменьшиться до размеров, меньших размера атома, и в конечном итоге превратиться в бесконечно маленькую точку в пространстве, содержащую бесконечную массу. Внутри черной дыры сила гравитации настолько сильна, что окружающее сингулярность пространство-время изгибается (искажается) до бесконечности, и ученые все еще заняты поиском хорошей и рабочей квантовой теории гравитации, чтобы объяснить, что на самом деле происходит внутри этих невероятно плотных объектов.

Как говорит американский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии по физике 2017 года Кип Торн в своем описании сингулярности, это «точка, в которой нарушаются все законы физики».

Как черные дыры влияют на пространство-время?

Черные дыры искажают пространство и замедляют время. Масса черной дыры настолько велика, а гравитация ее сингулярности настолько сильна, что, в соответствии с Общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, она фактически искажает пространство-время вокруг себя и даже свет не может вырваться из ее «объятий».

Граница, за которой свет не может покинуть гравитационный колодец черной дыры, известна как горизонт событий, а его радиус называется радиусом Шварцшильда (подробно на рисунке ниже). Как только материя и световые лучи минуют горизонт событий, они тут же «опрокидываются» и устремляются к сингулярности, которая становится единственно возможным пунктом назначения. С этого момента выбраться из черной дыры невозможно.

Почему объекты «замирают» рядом с черной дырой?

Стороннему наблюдателю будет казаться, что объект, проходящий через горизонт событий, замедляется, а затем «замирает» во времени и в общем-то даже не минует горизонт событий. Это связано с тем, что свету требуется больше времени, чтобы избежать гравитационного притяжения черной дыры, а световые сигналы не достигают наблюдателя в течение бесконечно долгого времени.

По прошествии времени свет смещается в красную сторону и тускнеет по мере того, как длина его волны становится длиннее. В конечном итоге свет исчезает из поля зрения наблюдателя, поскольку он становится инфракрасным излучением, а затем радиоволнами.

Сможете ли вы выжить внутри черной дыры?

Человек, попавший в черную дыру, будет «спагеттифицирован». Если бы он, падая в черную дыру, смог прожить достаточно долго, то он бы сначала испытал невесомость, а затем, по мере приближение к центру черной дыры, почувствовал бы интенсивные приливные гравитационные силы. Если бы его ноги были ближе к центру, чем голова, то он бы начал ощущать сильное притяжение, которые бы сначала растянуло его, а затем разорвало на крошечные части.

Примечательно, что человек, падающий в черную дыру, будет видеть события (искаженные изображения), происходящие за ее горизонтом событий, так как свет будет продолжать непрерывно поступать снаружи.

Каково гравитационное притяжение черной дыры?

Важно понимать, что гравитационное поле черной дыры такое же, как у любого другого объекта в космосе той же массы. Другими словами, она не будет «засасывать» объекты интенсивнее, чем любая другая нормальная звезда, и с большей вероятностью материя просто «упадет» в нее, если подберется слишком близко к горизонту событий.

Например, если бы наше Солнце было заменено черной дырой такой же массы, то Земля и прочие объекты Солнечной системы продолжали бы испытывать ту же гравитационную силу, что и раньше. Истинная природа черной дыры становится очевидной только в тот момент, когда что-либо минует горизонт событий.

Червоточина (кротовая нора) и черная дыра — это одно и то же?

Проходимая червоточина, также известная как червоточина Лоренца, червоточина Шварцшильда или мост Эйнштейна-Розена, представляет собой теоретическое «отверстие» в пространстве-времени, позволяющее «сократить расстояние» при перемещении из одной точки пространства-времени в другую. Однако внешне червоточины могут обладать характеристиками, которые обычно присущи черным дырам, поэтому одно практически невозможно отличить от другого.

Кто открыл черные дыры?

Английский священник, естествоиспытатель и геолог Джон Митчелл (25 декабря 1724 года — 29 апреля 1793 года) разработал теорию черных дыр («темных звезд») еще в 1783 году. В 1796 году, опираясь на труды Митчелла, более проработанную концепцию темных звезд предложил французский математик, механик, физик и астроном Пьер-Симон де Лаплас (23 марта 1749 года — 5 марта 1827 года). Митчелл и Лаплас предположили, что во Вселенной существуют объекты, которые сжаты до достаточно малого радиуса из-за чего скорость «убегания» света от их поверхности выше, чем скорость самого света, поэтому такие объекты будут чрезвычайно темными.

Позже появился термин «замороженная звезда», который стал использоваться для описания последней фазы гравитационного коллапса звезды, когда свет, неспособный покинуть ее поверхность, вынуждает светило казаться застывшим во времени.

В XX веке американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер в конце концов предложил термин «черная дыра», который мы используем по сей день.

Может ли черная дыра «умереть»?

Сегодня физики считают, что на самом деле черные дыры излучают небольшое количество частиц, состоящих в основном из фотонов, и поэтому они постоянно теряют массу (энергию) и уменьшаются, что в конечном итоге приведет к их исчезновению. Этот пока неподтвержденный процесс испарения известен как «излучение Хокинга» в честь профессора Стивена Хокинга, который предложил и развил эту идею в 1974 году.

Даже если излучение Хокинга действительно существует, то этот процесс проходит ошеломляюще медленно, и только самые маленькие черные дыры успели бы значительно испариться в течение 13,8 миллиарда лет (возраст Вселенной).

Какая черная дыра ближе всего к Земле?

В настоящее время считается, что в центре большинства галактик находится сверхмассивная черная дыра, которая в общем-то и обеспечивает галактическую структуру. Например, на расстоянии около 25 640 световых лет от Земли, в центре Млечного Пути, находится сверхмассивная черная дыра Стрелец A* или Sgr A*, масса которой в 4,2 миллиона раз превышает массу Солнца. Однако ближайшей к Земле черной дырой (пусть и не сверхмассивной) является недавно обнаруженная черная дыра в звездной системе HR 6819, которая удалена примерно на 1000 световых лет от нас.