Что такое черные дыры? Прошлое и будущее звезд
Факты
21 июня 2021 г. 18:00
Время чтения: 9 минут

Что такое черные дыры? Прошлое и будущее звезд

Сегодня астрономическая наука достигла небывалых успехов, но человечеству еще далеко до решения всех загадок, что таит в себе Вселенная. Среди всевозможных космических объектов, будоражащих лучшие умы планеты, встречаются и кажущиеся фантастическими, существующими за гранью привычной физики. Как некие гравитационные аномалии, внутри коих искривляются пространство и время. Подробнее о том, что представляет собой черная дыра и почему она так называется, – в материале 24СМИ.

Почему дыра «черная»?

Под черной дырой в современной науке понимают космический объект, обладающий такой огромной массой, что начинает засасывать в себя окружающую материю, включая частицы, движущиеся со скоростью света. То есть сам свет не в силах преодолеть такое мощное гравитационное притяжение.

Отсюда и название, закрепившееся в научных кругах. Дыра – это место, где навсегда пропадает попавший туда предмет. А цвет говорит: названная так область не испускает никакое излучение. Поэтому «черная дыра», по сути, синоним «невидимости», так как человеческий глаз не сумеет разглядеть темное пятно на фоне мрака космического пространства.

Рассматриваемые аномалии имеют границы, пересекая которые любой объект уже не способен начать движение назад, а обречен стать частью сверхмассивного космического тела. Эта область вокруг черной дыры получила название «горизонт событий».

Открытие

Отражающим суть явления термином наука стала пользоваться во второй половине XX века. Однако о черных дырах узнали задолго до этого. Еще в XVIII веке священник и естествоиспытатель Джон Мичелл впервые озвучил гипотезу о существовании звезд, обладающих гравитационным полем такой силы, что даже скорости света будет недостаточно, чтобы покинуть его пределы.

Фотография черной дыры в центре галактики M87, полученная с помощью телескопа проекта EHT (https://eventhorizontelescope.org/press-release-april-10-2019-astronomers-capture-first-image-black-hole)
Фотография черной дыры в центре галактики M87, полученная с помощью телескопа проекта EHT/ Event Horizon Telescope Collaboration

В проработку теории в дальнейшем внесли неоценимый вклад многие физики и математики, включая Альберта Эйнштейна. Однако чтобы черные дыры стали научным фактом, их требовалось найти. Встал вопрос о том, как обнаружить поглощающие любое излучение объекты, которые нельзя увидеть с помощью телескопа.

В этой ситуации ученым помог опыт, полученный в ходе работы над обнаружением других неизлучающих объектов, таких как темные пылевые туманности. Они, подобно черным пятнам, становятся видимыми на фоне светящихся объектов, например, звезд и газовых туманностей.

Этот метод был применен и для поиска черных дыр по частицам материи, выделяющим большое количество энергии при пересечении горизонта событий. То есть процесс заключается в наблюдении движущихся вокруг области с исключительной гравитационной силой частиц в момент поглощения материи. Поэтому черная дыра выглядит как пятно с ярким диском вокруг.

Существование гравитационных аномалий сохраняло статус теоретической модели до 2015 года, когда предположения были подкреплены новыми данными, в том числе и фото черной дыры, сделанным в 2019-м. На снимке зафиксирована тень объекта. Последнее побудило мировую научную общественность объявить о начале нового этапа в изучении космоса.

Как образуются черные дыры

Много вопросов порождает механизм образования черных дыр. Астрофизики выдвинули четыре версии, объясняющие появление в космосе грозных «пожирателей миров».

В поглощающую свет область способна превратиться любая звезда, обладающая достаточной массой. Когда в ней перестают происходить термоядерные реакции, то она «потухает», образуя при этом новый тип космического объекта:

  • нейтронную звезду с невероятной плотностью вещества, имеющую массу, сравнимую с солнечной, при весьма скромных размерах (диаметр не превышает 20-30 км);
  • светящий на остатках тепловой энергии и постепенно остывающий белый карлик (если собственной массы звезды недостаточно для превращения в нейтронную);
  • если звезда хотя бы в 3 раза превышает массой Солнце, то она уплотняется настолько, что превращается в черную дыру.

Если первый сценарий основан на гравитационном коллапсе звезды, то второй – описывает аналогичный процесс, только происходящий с более массивным объектом, например, с частью галактики. Как и звезда, последняя уменьшается в размерах под действием собственного тяготения и концентрирует всю массу вещества в небольшом объеме. Сегодня ученым известно о наличии черных дыр в центрах множества галактик по всей Вселенной.

Читайте также10 фактов об Эйфелевой башне, которые знает не каждый парижский гид

По третьему сценарию сверхмассивным астрофизическим телам отводится место на первых страницах истории Вселенной, когда та только начала расширяться. Большой взрыв сформировал условия, в которых стало возможным возникновение участков с повышенной плотностью – первичных черных дыр. А далее расширение Вселенной «раскидало» их по космическому пространству.

Последняя версия основана на том, что черная дыра образуется в результате ядерных реакций высоких энергий, которые возможно воспроизвести в лабораторных условиях. Интересный факт: адронные коллайдеры, где и запускаются подобные процессы, вызывали тревогу у многих, поскольку считалось, что такие исследования приведут к образованию черной дыры прямо на нашей планете.

Теоретически черные дыры, образовавшиеся из объектов разной массы, могут сильно отличаться друг от друга по размеру. Например, появившиеся сразу после Большого взрыва покажутся крошечными на фоне гигантов, весящих больше Солнца в миллиарды раз. Поэтому ученые разделили эти занимательные объекты на классы: черные дыры звездной массы, сверхмассивные и квантовые.

В черную дыру звездной массы трансформироваться может звезда, начавшая остывать и сжиматься под действием собственной гравитации. Однако все зависит от массы и других параметров, способных вызвать остановку сжатия на определенной стадии, и тогда итогом станет лишь сверхплотная нейтронная звезда. Например, для того, чтобы Солнце стало черной дырой, ему требуется «набрать вес», поскольку его массы не хватит для гравитационного коллапса. По мнению ученых, судьба нашего светила – превращение в белого карлика.

Ядра ряда галактик содержат сверхмассивные черные дыры, названные так, поскольку их размер невозможно сравнить с чем-либо знакомым человечеству. Даже Солнце слишком мало, чтобы хотя бы приблизительно описать этих гигантов. Такая черная дыра – и в центре Млечного Пути.

Сверхмассивную черную дыру в центре галактики Messier 87, снятую телескопом VLT, отличает мощный джет — струя выбрасываемого в космическое пространство с околосветовой скоростью вещества (https://www.eso.org/public/russia/images/eso1907b/)
Сверхмассивную черную дыру в центре галактики Messier 87, снятую телескопом VLT, отличает мощный джет – струя выбрасываемого в космическое пространство с околосветовой скоростью вещества / European Southern Observatory

Как уже упоминалось, классификация предусматривает и наличие квантовых черных дыр, которые имеют микроскопические размеры и могут якобы быть порождением ядерных реакций, воспроизводимых при должной технической оснащенности в лабораторных условиях.

Но пока квантовые дыры представляют собой только теоретически смоделированный объект, который, возможно, найдут в будущем.

Кроме размеров, ученые занимаются исследованием и других особенностей черных дыр, например, таких как слияние. В теории столкновения подобных космических образований друг с другом возможны. И если случаются, то приводят к постепенному взаимопоглощению и образованию еще большего участка с аномальными характеристиками.

Что случится, если попасть внутрь черной дыры

Среди будоражащих воображение задач, касающихся строения черных дыр, наиболее интересен вопрос о том, что случится, если человек попадет в эту экстремальную зону. И что там увидит. Проверить на практике это невозможно, поэтому остается довольствоваться только гипотетическими сценариями.

Черная дыра – это область, где перестают работать привычные законы физики, а сама реальность раскалывается на две. Внутри черной дыры пространство и время начинают искривляться до полного исчезновения этих категорий. Поэтому здесь появляется ряд парадоксов, выходящих за рамки понимания.

Исходя из представлений физиков, космонавт, который приблизится к горизонту событий, одновременно погибнет и пройдет сквозь него. Что дальше – представить трудно. Теоретически, если попасть в черную дыру, будет возможно увидеть будущее, ведь там пространство и время меняются местами.

Встречаются предположения, что там окажется портал, переносящий объект на другой конец Вселенной. Место, где отменяются земные правила функционирования физических объектов, называют сингулярностью. С ней в итоге сливается все, что попадает в дыру, приобретая неизвестные науке формы существования.

Планеты вблизи черных дыр

Сегодня за черными дырами часто закрепляются звания вроде «самого страшного объекта во Вселенной». Возникают подобные титулы не на пустом месте, если учитывать следующее: ученые склоняются к тому, что на планетах, располагающихся вблизи «разрушителей миров», нельзя обнаружить жизнь. Последнее связано с тем, что даже самая маленькая из сверхмассивных «пожирательниц материи» порождает приливные силы, угрожающие целостности всякого небесного тела, приблизившегося к горизонту событий.

На зарождение и развитие жизни на планете напрямую влияет статичность центра системы, вокруг которого та обращается. А при появлении рядом с планетой черной дыры начнется поглощение окружающей материи, выделяющее такое количество энергии, что уничтожит любые биологические формы. Такие условия слишком экстремальны для эволюции живой материи.

Квазары

В начале второй половины XX века ученые заговорили о существовании квазаров. По сути, это активные ядра молодых галактик, в которых расположены черные дыры. При большом удалении такие объекты характеризуются мощнейшим излучением.

Фотография первого обнаруженного человеком квазара 3C 273, находящегося в созвездии Девы, сделанная телескопом «Хаббл» (ESA/Hubble & NASA, https://www.nasa.gov/content/goddard/nasas-hubble-gets-the-best-image-of-bright-quasar-3c-273/#.YMNpPvkzbIV)
Фотография первого обнаруженного человеком квазара 3C 273, находящегося в созвездии Девы, сделанная телескопом «Хаббл» / ESA/Hubble & NASA

Это объясняется тем, что в родной для квазара галактике присутствует настолько впечатляющих размеров черная дыра, что поглощение ей вещества создает аккреционный диск, который возможно разглядеть на невероятном расстоянии.

Сегодня по квазарам определяют местонахождение сверхмассивных черных дыр. Примечательно, что размерами эти занимательные объекты не превышают Солнечную систему.

Читайте также10 интересных фактов о космосе, рассказанных астрономами

Стивен Хокинг о явлении

Знаменитый ученый Стивен Хокинг также высказывался о строении черных дыр. По предположениям прославленного физика, сквозь эти объекты пролегает путь в альтернативную Вселенную. Поэтому их не стоит бояться, ведь дыры не уничтожают поглощенную материю, а только переносят в параллельное космическое пространство.

Хокинг опирался на то, что информацию нельзя уничтожать, иначе в таком случае не существовало бы такого понятия, как «прошлое». То есть из черной дыры есть выход, правда, вернуться в исходную точку нельзя, ведь попавшее за горизонт событий уже не сможет его преодолеть.

Ближайшие к Земле

Со времен обоснования существования рассматриваемых в этой статье объектов ученые хотели найти те, что ближе остальных к Земле. И в 2019 году попытки увенчались успехом. Астрономы объявили об открытии черной дыры в созвездии Возничего, притаившейся подле красного гиганта и питающейся материей этой массивной звезды. А позднее доложили о том, что найдена аналогичная, находящаяся еще ближе к нашей планете, в созвездии Единорога.

Черная дыра деформирует форму расположенного рядом красного гиганта / Иллюстрация: Lauren Fanfer (The Ohio State University, https://news.osu.edu/black-hole-is-closest-to-earth-among-the-smallest-ever-discovered/)
Черная дыра деформирует форму расположенного рядом красного гиганта / Иллюстрация: Lauren Fanfer, The Ohio State University

Единорог, как назвали объект, не только ближайший (расположен на удалении в 1500 световых лет), но и самый маленький из известных науке. А вот самая большая черная дыра из обнаруженных учеными найдена в галактическом скоплении Abell 85 и называется Holm 15A. Эта находка в 10 тыс. раз превосходит по массе товарку, «обитающую» в центре нашей галактики, – Стрелец А*.

Гарвардские астрофизики уже ведут поиски дыры внутри Солнечной системы. Ученые предполагают, что существование подобного объекта рядом с Землей допустимо и его возможно будет обнаружить по световому диску, появляющемуся в результате поглощения материи.

Черные и белые

Не менее проблемным объектом для изучения остаются пока не обнаруженные белые дыры, упомянутые еще Эйнштейном. Теоретически, считают ученые, обязаны существовать «черные дыры наоборот».

То есть суть белых дыр заключается в следующем: последние не поглощают, а выбрасывают материю наружу. Другими словами, это черная дыра, развернутая назад во времени. Поскольку в физических формулах направление времени не играет никакой роли, то существование белых дыр не представляется невозможным. Однако сегодня это только не подтвержденная на практике модель.

Читайте также