Черные дыры в центре галактик постепенно поглощают окружающую их материю и увеличивают свой объем. Однако до сих пор не было найдено ни одного подобного объекта, который бы полностью поглощал целое скопление звезд.
Черные дыры
Черные дыры — это, пожалуй, самые загадочные объекты во Вселенной. Если только где-то в глубине не существуют вещи, о существовании которых мы не знаем и не можем знать, что маловероятно. Черные дыры — это колоссальные массы и плотности, сжатые в одну точку малого радиуса. Физические свойства этих объектов настолько странны, что ставят в тупик даже самых искушенных физиков и астрофизиков. Физик-теоретик Сабина Хоссфендер собрала десять фактов о черных дырах, которые должен знать каждый.
Важнейшим свойством черной дыры является ее горизонт. Это граница, за которую ничто, даже свет, не может вернуться. Когда оторванная область постоянно оторвана, она называется «горизонтом событий». Если он отделен лишь временно, говорят о «видимом горизонте». Однако это «временно» может также означать, что область будет разделена в течение гораздо более длительного периода, чем текущий возраст Вселенной. Если горизонт черной дыры временный, но длинный, то разница между первым и вторым неясна.
Насколько огромными бывают черные дыры?
Маленькие — размером с крупный мегаполис, а большие ни с чем нельзя сравнить. Новое видео канала Гарри Эветта рассказывает о масштабах черных дыр, открытых в 2018 году.
В этом году ученые с помощью телескопа ALMA впервые сфотографировали область черной дыры в центре активного ядра галактики M77 и измерили диаметр окружающего ее кольца газовой пыли. Сама черная дыра, конечно, не видна на снимке, потому что черные дыры не излучают свет, который могли бы уловить телескопы. Если мы когда-нибудь получим изображение черной дыры и ее окрестностей, то будет виден только аккреционный диск и кольцо материи вокруг него, поскольку он переносит частицы на неоптимальных скоростях и излучает энергию в виде электромагнитного излучения. Возможно, изображение области вокруг черной дыры Стрелец А*, которая находится в центре нашей галактики, появится позднее в этом году. Пока же мы знаем, как выглядят черные дыры, только с точки зрения художника. Но мы знаем их массу и размер, и они просто не укладываются в голове. Новое видео о масштабах черных дыр, по крайней мере, дает нам общее представление о том, насколько большими они могут быть.
Диаметр некоторых черных дыр не больше длины крупного города, например, Лондона, но одна такая «крошка» весит столько, сколько пять тысяч солнц; радиус других сравним с радиусом Земли, но их масса в пять миллионов раз больше массы нашей планеты. Еще немного о Солнце: самые легкие из известных черных дыр всего в пять раз массивнее нашей звезды, но они в 100 000 раз массивнее. Черная дыра в центре Млечного Пути относительно тяжелая, но отнюдь не рекордсмен по массе или размеру, хотя ее масса достигает 4 миллионов Солнц. Она просто исчезает на заднем плане, например, за дырой в центре галактики Messier 60, масса которой составляет 4,5 миллиарда Солнц. Примерно с этой массы начинается класс сверхмассивных черных дыр, крупнейшие из которых заставили бы даже 4,5 миллиарда Солнц выглядеть как ничто. Самая большая (и самая массивная) из известных черных дыр находится в центре квазара TON 618: 66 миллиардов солнечных масс. А получить представление о том, насколько велика Вселенная, можно, посмотрев наши видеоролики о размерах пространства.
Что происходит на горизонте?
Когда вы пересекаете горизонт, вокруг вас мало что происходит. Причиной этого является принцип эквивалентности Эйнштейна, который гласит, что не может быть разницы между ускорением в плоском пространстве и гравитационным полем, вызывающим искривление пространства. Тем не менее, наблюдатель, находящийся на большом расстоянии от черной дыры и наблюдающий за падающим в нее человеком, обнаружит, что черная дыра движется все медленнее и медленнее, чем ближе к горизонту. Это было бы похоже на то, как если бы время двигалось медленнее вблизи горизонта событий, чем вдали от горизонта. Однако пройдет некоторое время, и наблюдатель, падающий в дыру, пересечет горизонт событий и окажется внутри радиуса Шварцшильда.
То, что вы испытываете у горизонта, зависит от приливных сил гравитационного поля. Приливные силы на горизонте обратно пропорциональны квадрату массы черной дыры. То есть, чем больше и массивнее черная дыра, тем меньше силы. И если только черная дыра обладает достаточной массой, вы можете оставить горизонт позади, даже не заметив ничего происходящего. Действие этих приливных сил растянет вас: Технический термин физиков для этого — «спагеттизация».
На заре общей теории относительности считалось, что на горизонте находится сингулярность, но оказалось, что это не так.
Несколько лет спустя Пенроуз вместе со Стивеном Хокингом показал, что подобные результаты применимы не только к сингулярности внутри черной дыры, но и к космологической сингулярности — аналогичному состоянию пространства-времени в определенный момент эволюции Вселенной.
Искривление четырехмерного пространственно-временного континуума
Черная дыра с точки зрения художника
С появлением общей теории относительности Дэвида Гильберта и Альберта Эйнштейна интерес к этим загадочным космическим телам обрел новую жизнь. Согласно этой теории, гравитационное поле представляет собой искривление четырехмерного пространственно-временного континуума, в котором свет не может двигаться по прямой линии, потому что его не существует. Предположительно, это пространство может быть настолько искривлено, что свет ограничивается ограниченным пространством. Это явление было бы черной дырой. Но не все аспекты этой теории подтвердились в реальности…
Концентрические кольца вокруг «звезды-невидимки»
Внутри черной дыры
Много лет назад один из величайших астрофизиков современности Кип Торн выдвинул гипотезу о том, что вокруг звезд, известных как черные дыры, должны образовываться концентрические кольца в виде ослепительного ореола. Это происходит потому, что когда луч света, привлеченный гравитационным полем, приближается достаточно близко, чтобы на него воздействовала гравитация, но все еще достаточно далеко, чтобы не быть захваченным навсегда, он может путешествовать вокруг черной дыры в течение определенного времени, излучая небольшое количество света. Однако, чтобы наблюдать это явление, черная дыра должна находиться относительно близко, а за ней должна быть яркая звезда.
Они скорее есть, чем их нет, но доказать их существование пока невозможно
Композитный вид NGC 1433 с черной дырой в центре.
Современные астрофизики считают, что в черной дыре время останавливается, а пространство искривляется, но доказать это не так просто, как доказать фактическое существование самих черных дыр. Это происходит потому, что они абсолютно ничего не излучают, а значит, их невозможно наблюдать.
Компьютерная модель, показывающая, как выглядит пространство для наблюдателя, падающего в черную дыру
Существование черных дыр во Вселенной сегодня практически неоспоримо, однако невозможно сказать, кто первым обнаружил объект или когда было установлено, что данный объект действительно является черной дырой.
Интересный факт: Чем больше весит черная дыра, тем меньше ее плотность. Это объясняется тем, что с увеличением веса увеличивается и объем.
Что будет если попасть внутрь черной дыры
Тело, падающее в черную дыру, сталкивается с неоднородными приливными силами, которые растягивают его в радиальном направлении и сжимают в тангенциальном. При этом величина сил будет возрастать и стремиться к бесконечности.
Когда тело пересекает горизонт событий (точку невозврата), возврат невозможен, но для тела в этот момент ничего не меняется. Сторонний наблюдатель, с другой стороны, заметит, что все процессы с данным телом становятся все медленнее и медленнее, а когда тело приблизится к горизонту событий, оно полностью замедлится, при этом свет, исходящий от тела, быстро превратится в радиоволны, а затем в неразличимые низкочастотные электромагнитные колебания.
Черные дыры замедляют время
Чем быстрее движется объект, тем медленнее течет его время относительно наблюдателя. А в черной дыре объект движется с гигантскими скоростями, поэтому время там останавливается на бесконечно малых величинах.
Релятивистское замедление времени учитывается вместе с гравитационным замедлением времени в спутниковых навигационных системах. В GPS, например, ход времени спутниковых часов корректируется с учетом разницы с поверхностью Земли, которая составляет 38 микросекунд в день.
Черная дыра не опаснее обычной планеты
Когда появилась теория о том, что черная дыра поглощает и уничтожает все на своем пути, включая свет, люди сразу же задались вопросом, как на них повлияет встреча с таким объектом. На самом деле, черная дыра опасна только в том случае, если вы уже пересекли горизонт событий. До тех пор гравитация черной дыры не сильно отличается от гравитации других небесных тел, поэтому вы можете улететь без последствий.
Поскольку черная дыра не видна, о ее местоположении можно догадаться только по поведению соседних космических тел. Самый точный способ определить черную дыру — посмотреть на поведение второй звезды, которое используется для расчета положения черной дыры. Другим методом обнаружения таких объектов является выброс аккреционных дисков. Но если поблизости нет никаких объектов, черную дыру невозможно увидеть или вычислить.
Исходя из этого, невозможно с уверенностью сказать, какая черная дыра находится ближе всего к нам, так как она может быть просто еще не обнаружена. Но из всех вычисленных черных дыр V616 Monocerotis, также известная как V616 Mon, является ближайшим кандидатом. Она расположена в созвездии Моноцера, в 3 000 световых лет от нашей планеты.
В два раза дальше находится Cyg X-1 (сокращенно Cyg X-1), известный галактический рентгеновский источник в созвездии Сигнус. Его масса составляет 14,8 солнечных масс, но объект слишком массивен, чтобы быть чем-то иным, кроме как черной дырой.
Другие кандидаты в черные дыры, известные человечеству, находятся еще дальше.
