На прошлой неделе астрофизики опубликовали первый в истории снимок черной дыры. Это важнейшее научное событие и отличный повод немного поговорить об одном из самых загадочных явлений во Вселенной!
Откуда берутся черные дыры?
Звезды не могут жить вечно. В конце концов их «топливо» выгорает. Что происходит с ними дальше? Возможно несколько сценариев. Например, наше Солнце в итоге сожмется, превратившись в белый карлик величиной приблизительно с Землю, но в миллионы раз плотнее.
Звезды, имеющие массу во много раз больше Солнца, гораздо быстрее сжигают свое «горючее», а затем схлопываются, образуя нейтронную звезду или черную дыру.
Нейтронные звезды почти целиком состоят из упакованных бок к боку атомных ядер. Кусочек такой звезды размером с кубик сахара весил бы не меньше, чем гора Эверест!
Черные же дыры состоят из искривленного пространства и времени. И больше ничего — никакой материи. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать!
Компьютерная модель черной дыры. Иллюстрация из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Поскольку звезды обычно весят не больше 100 Солнц, вес черных дыр, которыми они становятся после смерти, тоже не превышает 100 солнечных масс.
Из этого следует, что гигантские черные дыры, которые находятся в ядрах галактик и вес которых составляет от миллиона до 20 миллиардов солнечных масс, не могли образоваться из умирающих звезд. Видимо, они зародились каким-то иным образом — возможно, при объединении множества черных дыр поменьше или в результате схлопывания массивных газовых облаков.
Муравей на батуте: искривленное пространство
Представьте, что вы муравей, который живет на детском батуте — резиновом полотнище, натянутом между высокими шестами. Под тяжестью лежащего на нем камня батут прогибается вниз.
Вы — слепой муравей и не можете видеть ни шестов, ни камня, ни прогибающегося полотнища. Но вы умный муравей. Резиновое полотнище — это ваша вселенная, и вы подозреваете, что она искривлена. Чтобы узнать ее форму, вы ползаете по кругу в верхней ее части, измеряя длину окружности, а потом ползете с одного края на другой через центр, чтобы измерить диаметр.
Если бы ваша вселенная была плоской, длина окружности равнялась бы числу Пи (3,14159…), помноженному на диаметр. Но, как выясняется, длина окружности меньше диаметра, даже не помноженного на Пи. Ваша вселенная, понимаете вы, сильно искривлена!
Сингулярность — это крошечная область, где поверхность «бесконечно искривляется» и сходится в точку, в которой силы приливной гравитации бесконечно велики, из-за чего материя в том виде, как мы ее знаем, растягивается и сжимается вплоть до полного исчезновения.
Замедление времени
Чем сильнее гравитационное притяжение, тем медленнее течет время. По сравнению с часами в космосе время на поверхности Солнца замедляется на 6 миллиардных долей, а у поверхности черной дыры, где гравитация огромна, время почти не движется.
Это явление просто поражает воображение! Фильм «Интерстеллар» весьма интересно изображает замедление времени возле черной дыры. Группа астронавтов направляется к ней на спускаемом аппарате (не совсем к поверхности, но на достаточно близкое расстояние).
В это время один астронавт остается в корабле, находящемся на орбите над черной дырой. Когда экспедиция всего через несколько дней возвращается на корабль, находит своего коллегу постаревшим на 22 года.
Кадр из фильма «Интерстеллар»
Астронавты пытаются спасти Землю, но знают, что их время течет гораздо медленнее, чем в окружающем пространстве. Они понимают, что экологическая катастрофа на нашей планете развивается значительно быстрее, чем идет время их жизни.
Эффект замедления времени — враг, заставляющий их действовать с чрезвычайной быстротой. Этот же эффект подразумевает, что когда (и если) они вернутся на Землю, их дети будут уже старше своих родителей.
Любопытно, что теоретически вы можете вернуться из такой экспедиции, если только не достигнете горизонта событий — поверхности черной дыры.
В ловушке: за горизонтом событий
Если бы вы с микроволновым передатчиком в руках падали в черную дыру, после пересечения горизонта событий вас бы неотвратимо затягивало вниз, к сингулярности, и любые передаваемые вами сигналы устремлялись бы туда же.
Никто, находясь снаружи горизонта событий, не сможет получить отправленные после пересечения горизонта сигналы — они, как и вы сами, станут пленниками черной дыры.
По сути, черная дыра становится ловушкой из-за искривления времени. Если вы зависнете над дырой, сдерживая падение с помощью ракетных двигателей, то чем ниже вы будете опускаться, тем медленнее будет течь для вас время.
На горизонте событий время замедлится до полной остановки, и в соответствии с эйнштейновским законом искривления времени вы должны будете ощутить бесконечно сильное гравитационное притяжение.
Что же происходит внутри, за горизонтом событий? Время там искривлено настолько сильно, что, можно сказать, приобретает свойства пространственного измерения: оно течет вниз, устремляясь к сингулярности.
Этот нисходящий поток времени и служит причиной того, что выбраться из черной дыры невозможно. Все на свете неизбежно стремится к будущему, а поскольку будущее в черной дыре нисходит вниз, прочь от горизонта, ничто не способно прорваться сквозь горизонт вверх.
Так что провалиться в черную дыру можно, а вот вернуться оттуда — нет. Ее притяжение настолько сильное, что наружу не способен вырваться даже свет!
Первые упоминания
Идея черной дыры зародилась еще в 1763 году у английского ученого Джона Мичелла, который понял, что вторая космическая скорость у массивных звезд может даже превышать скорость света. Если свет не может преодолеть их силу гравитации, такие звезды будут казаться черными.
Мичелл сделал соответствующие вычисления на основе составленного им уравнения, которое оказалось правильным. Однако идея ученого не привлекла особого внимания, потому что в то время науке уже было известно о волновой природе света, и многие ошибочно полагали, что волны не могут быть остановлены силой гравитации.
Теперь из теории относительности мы знаем: поскольку волны обладают энергией, то они обладают и массой, и сила гравитации на самом деле воздействует на них.
Чтобы образовалась черная дыра, вторая космическая скорость которой будет очень высокой, в маленьком объеме пространства должна сосредоточиться колоссальная масса. Предположим, мы смогли сжать массу Солнца в шар, имеющий 1 километр в диаметре. Свет не сможет прорваться к нам с поверхности такого светила. «Сжатое» таким образом Солнце будет абсолютно черным.
Черные дыры во Вселенной
Астрономы нашли убедительные подтверждения того, что во Вселенной существует множество черных дыр. Замечательный пример — огромная черная дыра в центре нашей галактики, Млечного Пути. Андреа Гез из UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) и небольшая группа астрономов под ее руководством наблюдали за движением звезд вокруг этой черной дыры.
Увидев звезду, вращающуюся как будто вокруг пустоты, астрономы могут догадаться, что там присутствует черная дыра. Иллюстрация из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»
Точки на орбитах обозначают позиции звезд, зафиксированные с интервалом в год. Положение черной дыры отмечено белой звездочкой. Исходя из наблюдаемых перемещений звезд Гез вычислила силу гравитации черной дыры: она выше, чем сила гравитации Солнца на таком же расстоянии, в 4,1 миллиона раз. Следовательно, масса этой черной дыры составляет 4,1 миллиона солнечных масс!
В центре практически каждой большой галактики Вселенной обитает массивная черная дыра. Самая тяжелая дыра из обнаруженных весит в 17 миллиардов раз больше Солнца; она располагается в галактике NGC1277, в 250 миллионах световых лет от Земли — это примерно десятая часть расстояния до границы наблюдаемой Вселенной.
Также в нашей галактике находится примерно 100 миллионов относительно небольших черных дыр весом до 30 солнечных масс. Мы знаем об этом не потому, что располагаем данными относительно каждой из этих дыр, а потому, что астрономы составили перечень массивных звезд, которые должны стать черными дырами после того, как иссякнет их ядерное топливо, и вычислили, для каких из этих звезд данное превращение уже произошло.
Так что черные дыры в нашей Вселенной не редкость. Существует мнение, что ближайшая к Земле черная дыра — Лебедь X-1 — находится «всего лишь» (по оценкам астрономов) на расстоянии 6000 световых лет от нашей планеты.
Первый снимок
Десятого апреля 2019 года ученые из проекта Event Horizon Telescope опубликовали первый в истории снимок черной дыры. Фото было сделано с помощью восьми телескопов, расположенных на нескольких континентах.
Конечно, увидеть саму черную дыру невозможно (на то она и черная). Строго говоря, на фотографии лишь «внешняя оболочка» — точка невозврата, также известная как горизонт событий. Огненное кольцо — это устремляющийся в дыру горячий газ, разогретый до невероятных температур.
Не так впечатляюще, как в фантастических фильмах. Но зато это настоящая черная дыра, а не смоделированная на компьютере. Источник
«То, что мы видим [на снимке], — больше по размеру, чем вся наша Солнечная система, — пояснил Би-би-си профессор Университета Неймгена в Нидерландах Хейно Фальке. — Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз».
Для научного сообщества это очень важное событие. Дело в том, что раньше существование черных дыр предсказывалось теориями и неоднократно подтверждалось расчетами, однако «материальных» доказательств до сих пор не было. Теперь есть.
Физики часто бывают ошарашены собственными уравнениями. Многие заключения кажутся абсурдными, бросают вызов привычному взгляду на мир и оставляют чувство неудовлетворенности. И все же это умопомрачительно интересно! Особенно когда абстрактные теории находят подтверждение в реальности. Исследования продолжаются, и в ближайшем будущем нас наверняка ждут новые удивительные открытия.
По материалам книг «Сейчас. Физика времени», «Интерстеллар. Наука за кадром», «Почему E = mc2», «Большая книга аналогий», «Профессор Астрокот и его путешествие в космос»
Обложка поста отсюда
.jpg){kind=link}