Почему самые маленькие чёрные дыры искривляют пространство сильнее всего
Идею о существовании в космосе настолько массивного тела, что даже свет не может его покинуть, вкратце изложил английский астроном и священник Джон Мичелл в письме, опубликованном в ноябре 1784 года. Упрощённые расчёты Мичелла предполагали, что у такого тела может быть плотность, сравнимая с солнечной, после чего он сделал вывод, что оно образуется, когда диаметр звезды превышает диаметр Солнца в 500 раз, а скорость убегания с её поверхности превышает скорость света в вакууме. Мичелл назвал эти тела тёмными звёздами. Он правильно отметил, что такие сверхмассивные, но не излучающие тела можно будет обнаружить по их гравитационному воздействию на близлежащие видимые тела. Первоначально учёные того времени были воодушевлены предложением о том, что гигантские, но невидимые «тёмные звёзды» могут скрываться на виду, но энтузиазм поутих, когда в начале XIX века стала очевидной волновая природа света, поскольку если бы свет был волной, а не частицей, то было бы непонятно, как гравитация влияет на убегающие световые волны.
В 1915 г. Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ещё до этого продемонстрировав, что гравитация действительно влияет на движение света. А уже всего через несколько месяцев Карл Шварцшильд нашёл решение уравнений поля Эйнштейна, описывающее гравитационное поле точечной массы и сферической массы. Через несколько месяцев после Шварцшильда Иоганн Дросте, ученик Хендрика Лоренца, независимо дал такое же решение для точечной массы и более подробно описал его свойства. Это решение демонстрировало особенное поведение в области, которую сейчас называют радиусом Шварцшильда, где оно уходило в сингулярность — то есть некоторые члены в уравнениях Эйнштейна становились бесконечными. Природа этой поверхности в то время была не совсем понятна.
В 1924 г. Артур Эддингтон показал, что сингулярность исчезает после изменения системы координат, хотя только в 1933 г. Жорж Леметр понял, что это означает, что сингулярность на радиусе Шварцшильда является нефизической координатной сингулярностью. Однако Артур Эддингтон в своей книге 1926 года высказался о возможности существования звезды с массой, сжатой до радиуса Шварцшильда, отметив, что теория Эйнштейна позволяет исключить слишком большую плотность видимых звёзд, таких как Бетельгейзе. Он писал: «звезда радиусом 250 млн км не может иметь такую высокую плотность, как Солнце. Во-первых, сила тяготения была бы настолько велика, что свет не смог от неё уйти, и лучи падали обратно на звезду, как камень на землю. Во-вторых, красное смещение спектральных линий было бы настолько велико, что спектр оказался бы вытесненным. В-третьих, масса привела бы к такому искривлению метрики пространства-времени, что пространство замкнулось бы вокруг звезды, оставив нас снаружи (т.е. нигде)».
Это приводит нас к одной из наиболее поразительных концепций Вселенной: гравитация не обусловлена существованием некоей невидимой силы, как считал Ньютон, а возникает благодаря тому, что материя и энергия во Вселенной искажают саму ткань пространства. Материя и энергия говорят пространству, как изогнуться, и это изогнутое пространство образует путь, по которому движутся и материя, и энергия. Расстояние между двумя точками — это не прямая линия, а кривая, определяемая самой тканью пространства.
Куда же отправиться в поисках области пространства, обладающей наибольшей кривизной? Очевидно, стоит выбрать те места, где наибольшая масса сосредоточена в наименьшем объёме: чёрные дыры. Но не все чёрные дыры одинаковы. На первый взгляд это кажется парадоксальным, но именно самые маленькие чёрные дыры с наименьшей массой создают наиболее сильно искривлённое пространство из всех существующих.
Когда мы смотрим на Вселенную, особенно в больших космических масштабах, она ведёт себя так, как будто пространство практически неотличимо от плоского. Массы искривляют пространство, и это искривлённое пространство отклоняет свет, но величина отклонения ничтожно мала даже для самых концентрированных из известных нам масс.
Солнечное затмение 1919 года, когда свет от далёких звёзд отклонялся Солнцем, привело к тому, что путь света искривился менее чем на тысячную долю градуса. Это было первое наблюдательное подтверждение общей теории относительности, вызванное самой большой массой, доступной нам в нашей Солнечной системе.
Гравитационное линзирование выходит за эти рамки, когда очень большая масса (например, квазар или скопление галактик) искривляет пространство настолько сильно, что фоновый свет искажается, увеличивается и растягивается на несколько изображений. Однако даже триллионы солнечных масс вызывают эффекты в масштабах крошечных долей градуса.
Гравитационное линзирование
Но ни близость к массе, ни общее количество массы по отдельности не определяют, насколько сильно искривлено пространство. Скорее роль играет общее количество массы, присутствующей в данном объёме пространства. Лучше всего это представить на примере нашего Солнца: объект массой в 1 Солнце и радиусом около 700 000 км. На самом краю Солнца, в 700 000 км от его центра, свет отклоняется примерно на 0,0005 градуса.
Если бы Солнце можно было сжать до размеров Земли (тогда оно стало бы походить на белого карлика) до радиуса около 6 400 км, то свет, падающий на лимб этого объекта, отклонился бы уже на величину примерно в 100 раз большую — на 0,05 градуса. Если сжать Солнце до радиуса
35 км (и тогда оно приблизилось бы по свойствам к нейтронной звезде). Тогда свет, падающий на его лимб, отклонился бы намного сильнее: примерно на десяток градусов. А вот если сжать Солнце настолько, что оно превратится в чёрную дыру радиусом около 3 км, тогда свет, падающий на её лимб, будет полностью поглощён дырой; свет же, находящийся за её пределами, может отклониться на 180° или даже ещё сильнее.
Однако во всех этих сценариях есть нечто важное. Общее количество массы — будь то звезда, похожая на Солнце, белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра, — одинаково в каждой задаче. Причина более сильного искривления пространства заключается в том, что масса более сконцентрирована, и вы можете приблизиться к ней гораздо ближе.
Если бы вы находились на одинаковом расстоянии от центра масс в каждом сценарии — 700 000 км от объекта массой в 1 Солнце, независимо от того, насколько он компактен, — вы бы увидели точно такое же отклонение: около 0,0005 градуса. Только потому, что мы можем подойти очень близко к самым компактным объектам, т.е. к чёрным дырам, свет отклоняется на такую большую величину, когда он касается их лимба. Это универсальное свойство всех чёрных дыр. Когда свет едва «задевает» внешнюю сторону горизонта событий, он находится на границе поглощения и максимально отклоняется в сторону окраины чёрной дыры.
Но не все чёрные дыры созданы одинаковыми. Конечно, есть некоторые параметры, по которым все чёрные дыры выглядят одинаково, и они важны. У каждой чёрной дыры есть горизонт событий, который определяется границей в пространстве, на которой скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из-под её гравитационного притяжения, превышает скорость света. Извне горизонта свет всё ещё может добраться до мест во внешней Вселенной; внутри горизонта этот свет (или любая частица) поглощается чёрной дырой.
Но чем массивнее чёрная дыра, тем больше радиус её горизонта событий. Удвоение массы приводит к удвоению радиуса горизонта событий. Конечно, многие вещи будут масштабироваться таким же образом:
- скорость убегания у горизонта по-прежнему остаётся равной скорости света;
- величина отклонения света подчиняется той же зависимости массы от радиуса;
- если бы мы могли получить прямое изображение таких объектов, все они имели бы ту же самую форму пончика, которую мы видели на первом снимке телескопа «Горизонт событий» (EHT).
Первое изображение с телескопа Event Horizon Telescope (EHT)
Но есть ряд свойств, которые не сопоставимы для чёрных дыр разных масс. Например, приливные силы — это тот случай, когда различия огромны. Если бы вы упали к горизонту событий чёрной дыры, то встретились бы с силами, которые пытались разорвать вас на части, растягивая в направлении центра чёрной дыры и одновременно сжимая в перпендикулярном направлении: это то, что называют спагеттизацией.
Если бы вы упали в чёрную дыру в центре галактики M87 (ту самую, которую запечатлел телескоп EHT), то разница между силой, действующей на вашу голову, и силой, действующей на пальцы ног, была бы ничтожной — менее 0,1% от силы земного притяжения. Но если бы вы упали в чёрную дыру с массой Солнца, сила была во много квинтиллионов раз больше: её было бы достаточно, чтобы разорвать ваши атомы на части.
Однако, пожалуй, самое поразительное различие между чёрными дырами разной массы обусловлено явлением, которое мы никогда не наблюдали: излучением Хокинга. Где бы ни находилась чёрная дыра, из неё исходит очень небольшое количество низкоэнергетического излучения.
Хотя мы придумали несколько очень красивых визуализаций причин этого явления — обычно мы говорим о спонтанном создании пар частица-античастица, где одна падает в чёрную дыру, а другая вылетает из неё, — на самом деле всё происходит не так. Верно, что из чёрной дыры уходит излучение, и верно также, что энергия этого излучения должна исходить из массы самой чёрной дыры. Но эта наивная картина, когда пары частица-античастица возникают, а один из членов исчезает в чёрной дыре, сильно упрощена.
На самом деле всё несколько сложнее, но гораздо интереснее. Там, где есть само пространство, есть и законы физики, существующие в нашей Вселенной, которые включают в себя все квантовые поля, лежащие в основе реальности. Все эти поля существуют в своём низкоэнергетическом состоянии, когда они пронизывают пустое пространство — это состояние известно как «квантовый вакуум».
Квантовый вакуум одинаков для всех, пока они находятся в пустом, не искривлённом пространстве. Но это состояние с наименьшей энергией отличается в местах, где пространственная кривизна различна, и именно здесь возникает излучение Хокинга: из физики квантовой теории поля в искривлённом пространстве. На достаточном расстоянии от чего-либо, даже от чёрной дыры, квантовый вакуум выглядит так же, как и в плоском пространстве. Но квантовый вакуум в искривлённом пространстве ведёт себя совершенно по-другому — причём отличается тем более, чем более искривлено пространство.
Это означает, что если мы хотим, чтобы от нашей чёрной дыры исходило самое яркое, самое светлое, самое энергичное излучение Хокинга, то мы должны обращаться к самым маломассивным чёрным дырам, которые мы можем найти: к тем, у которых пространственная кривизна на горизонте событий наиболее сильна. Если сравнить чёрную дыру, подобную той, что находится в центре M87, с воображаемой чёрной дырой, которую мы могли бы получить, если бы Солнце превратилось в чёрную дыру, то мы обнаружим, что:
- температура более массивной чёрной дыры в миллиарды раз ниже;
- светимость на
Может показаться нелогичным, что самые маломассивные чёрные дыры во Вселенной искривляют пространство сильнее, чем сверхмассивные гиганты, населяющие центры галактик, но это действительно так. Искривление пространства связано не только с количеством массы в одном месте, поскольку возможности наблюдения ограничены наличием горизонта событий. Самые маленькие горизонты событий находятся вокруг чёрных дыр с наименьшей массой. Для таких показателей, как приливные силы или распад чёрной дыры, близость к центральной сингулярности даже более важна, чем общая масса.
Это означает, что лучшие лаборатории для проверки многих аспектов общей теории относительности и для поиска первых тонких эффектов квантовой гравитации будут находиться вокруг самых маленьких чёрных дыр. Самые маломассивные из известных нам чёрных дыр возникают из нейтронных звёзд, которые сливаются и образуют чёрные дыры, масса которых всего в 2,5-3 раза больше массы Солнца. Самые маленькие чёрные дыры находятся там, где пространство изгибается сильнее всего, и, возможно, в них кроется ключ к следующему большому прорыву в нашем понимании Вселенной.
В чёрной дыре
Мы отправляемся на экскурсию к центру чёрной дыры — посмотреть, что находится внутри. Путешествие, что и говорить, непростое, но с нами опытный гид — астроном Владимир Сурдин.
— Всем привет! Я Владимир Сурдин, классический астроном, работаю в ГАИШе МГУ — изучаю процессы звёздообразования. Я развил теорию активных ядер галактик, в которых рождается огромное количество ярких массивных звёзд. Сейчас размышляю над тем, какие космические явления виноваты в возникновении пузырей Ферми. Это два накачанных очень горячим газом гигантских пузыря, взметнувшихся над центром Галактики в разные стороны от её диска. Вот такие у меня научные интересы.
А ещё я выступаю с научными лекциями, пишу книги и вожу космические экскурсии. Добро пожаловать на экскурсию в чёрную дыру!
Что взять с собой
Любое путешествие начинается со сбора чемоданов, но что взять в этот раз? Сложно сказать наверняка, что нам может пригодиться, всё-таки пока мы слишком многого не знаем о чёрных дырах. Но есть несколько вещей, захватить которые просто необходимо.
Чем сильнее гравитация объекта, тем медленнее течёт время в его окрестностях, так уж устроено четырёхмерное пространство-время в нашей Вселенной. А у чёрной дыры, как известно, гравитация огромная, поэтому чем больше дыра, тем медленнее с нашей точки зрения там всё происходит. И ещё: чем выше скорость объекта, тем больше его масса. Так что для всех объектов, которые движутся на очень высоких скоростях, время замедляется. А мы собираемся лететь быстро! Надо будет сверять часы с земными, чтобы понимать, насколько растягивается наше время по мере приближения к чёрной дыре. За лишнюю минуту, проведённую нами у сверхмассивной чёрной дыры, на Земле могут пройти столетия!
Телескопы
Прежде чем подходить к таким опасным объектам, как чёрные дыры, вплотную, нужно понаблюдать за ними издалека. Для этого нам понадобится телескоп, а лучше несколько разных. Рекомендую взять обычный — оптический, а также рентгеновский и гамма-телескоп, чтобы наблюдать излучение космического вещества в разных частях спектра.
Сейчас главные результаты в астрономии получают именно таким способом — сопоставляя данные с телескопов разных типов, которые видят Вселенную в разном свете.
Удобная тянущаяся одежда
Гравитация — штука мощная, особенно вблизи чёрных дыр. Не исключено, что нас будет сжимать и растягивать в разные стороны, поэтому любимые джинсы, рубашка или кроссовки могут порваться. Лучше всего для космического путешествия подойдёт гидрокостюм, как у дайвера. Он заменяет сразу все виды одежды и прекрасно сохраняет тепло.
Книги о чёрных дырах
Лететь далеко, и чтобы в дороге не было скучно, рекомендую изучить объект нашего интереса. Есть несколько отличных популярных книг про чёрные дыры, например:
· Игорь Новиков. Чёрные дыры и Вселенные, Чёрные дыры во Вселенной, Энергетика чёрных дыр.
· Уильям Кауфман. Космические рубежи теории относительности.
· Стивен Габсер и Франс Преториус. Маленькая книга о чёрных дырах.
Смартфон
Мы заберёмся так далеко от Земли, что можем наткнуться на что-то совсем необычное, например внеземную цивилизацию. Вокруг чёрных дыр ведь тоже обращаются планеты, как вокруг звёзд. Как объяснить инопланетянам, кто мы такие? Как продемонстрировать, чего достигло человечество за долгие годы своего существования? Конечно же, с помощью смартфона, вершины эволюции земных технологий! Он позволит нам показать новым друзьям любые объекты земной культуры и достижения науки. Ну, смартфон-то вы и без напоминаний возьмёте.
Друзья
Самое важное в любом путешествии — хорошая компания, поэтому зовите с собой друзей. Я вот беру с собой кота — кота Шрёдингера.
Как найти чёрную дыру
1. Сурдин и Кот стоят около обсерватории на высокой горе.
Сурдин. Что ж, я готов. Можем отправляться
Кот. Но как нам её найти? Она же абсолютно чёрная!
2. Они оказались внутри обсерватории, рядом с ними телескоп.
Сурдин. Верно, поэтому нужно искать летающее вокруг неё вещество
3. Крупным планом затылки Сурдина и Кота, они смотрят на ночное небо, которое виднеется в открытой части купола.
Сурдин. Там, где недавно взорвалась массивная звезда. Чёрные дыры часто рождаются из взрывов сверхновых, а их трудно не заметить.
4. Длинный кадр с названием «Жизненный цикл массивной звезды»
5. Кот смотрит в телескоп, радостно вскинув лапы. Сурдин стоит рядом, важно скрестив руки на груди.
Кот. Вижу кольцо света, а внутри тёмное пятно!
Сурдин. Это аккреционный диск с чёрной дырой внутри — отправляемся туда!
6. Кот. Чёрная дыра всё ближе!
Пожиратели звёзд и одинокие бродяги
Сурдин. Итак, перед нами чёрная дыра звёздной массы. Это значит, что она в десятки раз тяжелее Солнца. При этом её радиус очень мал — всего несколько километров. Типичная разновидность чёрных дыр, которые открывают наши спутники, — это источники рентгеновского излучения в двойных звёздных системах.
Кот. Почему в двойных?
Сурдин. Потому что нужен источник вещества, которое будет падать на чёрную дыру. Таким источником может служить обычная звезда, которая обращается в паре с чёрной дырой. С поверхности обычной звезды газ притягивается к чёрной дыре, падает на неё, формирует аккреционный диск и очень характерно себя при этом проявляет — быстрыми колебаниями яркости и высокой температурой.
Тут нужна большая страшная иллюстрация, как черная дыра сжирает звезду
Кот. Рядом с чёрными дырами всегда есть звёзды, от которых те подкармливаются веществом?
Сурдин. Нет, просто если рядом есть звёзды, чёрная дыра себя ярко проявляет. А если чёрная дыра гуляет сама по себе, открыть её очень трудно. Способ есть, но он практически нереализуем. Такая дыра обнаруживает себя как источник гравитации и никаким иным образом. Оказываясь рядом с ней, световые лучи меняют направление, преломляются — это называется гравитационной линзой. Одиночная чёрная дыра может проявлять себя как гравитационная линза. Есть несколько проектов по поиску таких микролинз. Но ни одной одиночной чёрной дыры небольшой звёздной массы мы пока не обнаружили. Зато вероятных чёрных дыр в парных системах найдены уже многие сотни.
Огромной гравитационной линзой может быть и целая галактика. На фото — Космическая Подкова, система из двух гравитационно-линзированных галактик в созвездии Льва. Подкова — это далёкая галактика, прямо перед которой на луче зрения расположена галактика LRG 3-757 (огромная, в сто раз массивнее нашего Млечного Пути). Свет дальней галактики, проходя через гравитационное поле ближней, немного меняет направление, и изображение фоновой галактики становится подковообразным.
Тайна девятой планеты
Кот. Я слышал про планетолога Константина Батыгина, который вроде бы доказал, что где-то далеко за Плутоном у Солнца есть ещё одна огромная планета. Но он никак не может отыскать эту загадочную «планету Х». Может, там не планета, а маленькая чёрная дыра?
Сурдин. Я бы сказал, отыскать планету не могут Майкл Браун и Константин Батыгин. Потому что Батыгин — это чистый математик, а Браун — известный астроном-наблюдатель и источник идей. Вместе они математически прогнозируют существование 9-й массивной планеты в Солнечной системе — примерно в тысячу раз дальше от Солнца, чем Земля. Её всё никак не найдут, и возникает здравая идея, что это чёрная дыра: мы её не видим, но она обладает солидной массой и где-то там путешествует.
В одной из научных статей подсчитали, что чёрная дыра такой массы должна быть размером с теннисный мяч. Но как увидеть абсолютно чёрный теннисный мяч на расстоянии сто миллиардов километров от Земли?
При этом Солнце постоянно выбрасывает из себя потоки плазмы — солнечный ветер. Они долго летят и, удаляясь от Солнца, встречаются с межзвёздной плазмой. Образуется межпланетное газовое вещество, которое окружает Солнечную систему. Если бы там путешествовала чёрная дыра, она питалась бы этой смесью. Тогда мы бы увидели её как источник, например, рентгеновского или гамма-излучения. Но мы этого не видим. Поэтому маловероятно, что рядом с нами есть чёрная дыра.
Вы, конечно, знаете, что, помимо твёрдого, жидкого и газообразного, у вещества есть четвёртое агрегатное состояние — плазма, ионизированный газ. Мы просто хотели напомнить, что в этом состоянии находится 99,9% вещества во Вселенной.
Кот. Что ж, раз надежды найти чёрную дыру в Солнечной системе нет, значит, нужно лететь дальше. Намного дальше!
Время и пространство поменялись местами
Сурдин. Приближаясь к чёрной дыре, стоит помнить, что это исключительно плотный и массивный объект. Она обладает такой сильной гравитацией, что засасывает всё, что пролетает рядом, и не выпускает ничего обратно. Даже свет не может улететь с поверхности чёрной дыры — поэтому она и чёрная.
Кот. Как же нам не попасть в плен её гравитации?
Сурдин. Самый простой вариант — наблюдать издалека и не приближаться. Но тогда практически ничего не будет видно. Поэтому мы попробуем аккуратно выйти на орбиту вокруг чёрной дыры. Если держаться на расстоянии двух радиусов чёрной дыры от её центра, можно летать, как спутник вокруг Земли, и наблюдать окрестности. Но если мы подойдём к чёрной дыре ближе, чем на полтора радиуса, то неизбежно начнём по спирали приближаться, пока не упадем в неё.
Согласно современным представлениям, на орбите вокруг чёрной дыры могут обращаться планеты — сотни и даже тысячи планет.
Радиус чёрной дыры называют радиусом Шварцшильда, а её поверхность —горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между притяжением гравитационного поля чёрной дыры и силой света, пытающегося покинуть её. Горизонт событий проницаем лишь в одну сторону: сквозь него можно пролететь внутрь, но нельзя вылететь наружу.
Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нём должны возникать потоки горячих частиц, испускаемых во Вселенную, — излучение Хокинга. Поэтому, хоть материя и не может вырваться за пределы горизонта событий, чёрные дыры тем не менее «испаряются».
Конечно, любая чёрная дыра растёт, потому что пустоты в космосе нет. Космическое пространство заполнено более или менее разреженным веществом, поэтому все современные чёрные дыры поглощают окружающее вещество. Одни — активно, если рядом есть звезда, с которой удобно стягивать газ, другие просто летают в космосе и потихоньку кормятся разреженным межзвёздным газом. А раз кормятся, значит, растут. Но ближе к концу жизни Вселенной, когда окружающее вещество будет съедено, дыры начнут терять свою массу и постепенно исчезнут.
Карл Шварцшильд — немецкий астроном, механик и оптик, математически рассчитавший параметры чёрной дыры. В начале Первой мировой войны он попал на фронт, в окопах потерял здоровье и через несколько недель умер в госпитале. Но перед самой смертью успел послать Эйнштейну практически законченную статью о чёрных дырах.
Кот. Но что там внутри, за горизонтом событий?
Сурдин. За горизонтом событий пространство и время меняются своими свойствами. На Земле время безостановочно течёт, а в пространстве мы можем оставаться на своих местах: сели на стул и никуда не перемещаемся. Но при этом время остановить мы не можем, оно всё равно бежит вперёд. Пересекая горизонт событий, мы попадаем в совершенно иную ситуацию. Там уже, как ни пытайся, остановиться в пространстве не получится, какие бы реактивные двигатели нас ни тормозили. Теория относительности говорит, что, попав внутрь горизонта событий, мы будем падать к центру чёрной дыры независимо от своих усилий. Пространство приобретает свойства времени, и все движения происходят только в одну сторону — к геометрическому центру, к сингулярности.
На орбите вокруг чёрной дыры
В течение нескольких кадров Сурдин и Кот летают по орбите вокруг чёрной дыры. Мимо них пролетают осколки астероидов, планеты, инопланетный космический мусор, чайник и т.д.
1. Кот. В центре чёрной дыры — сингулярность? Но что это?
Сурдин. Это такая точка, дальше которой не могут думать даже учёные. Никто не знает, что ждёт того, кто на самом деле рискнул бы отправиться к сингулярности
Сурдин. Нам нужна теория, которая объяснит, что там находится
3. Кот. А если погуглить?
Сурдин. Нет такой теории! Нужно совместить две несовместимые концепции: теорию относительности и квантовую механику. Даже Хокинг этого не смог
4. У Кота загорается хвост. Сурдин пытается поймать пролетающий мимо огнетушитель.
Кот. Мя-я-я-я-у-у-у! Горю-ю-ю!
Сурдин. Падающее вещество сильно нагревается. Мы превратимся в пепел раньше, чем подлетим к дыре
5. Сурдину удаётся потушить огонь. Цепляясь за астероиды, Кот пытается выбраться с орбиты обратно в космическое пространство.
Кот. Надо уносить ноги!
Сурдин. А лучше выбраться целиком
6. Кот и Сурдин снова оказались в космическом пространстве, чёрная дыра виднеется вдалеке.
Кот. Есть менее опасный способ попасть в чёрную дыру?
Сурдин. Да, нужно упасть по прямой в самый её центр.
Монстр в центре лабиринта
Сурдин. Колоссальная гравитация этой маленькой чёрной дыры приводит к тому, что пространственная материя искажается внезапно, и вещество резко затягивается в чёрную дыру. Если мы начнём погружаться в неё, нас разорвёт. Нужно искать огромную чёрную дыру, чтобы этот же эффект распространялся на бóльшую площадь пространства, и материя искажалась не так сильно.
Кот. Есть чёрные дыры побольше?
Сурдин. Кроме маленьких чёрных дыр звёздной массы есть сверхмассивные чёрные дыры, которые весят как миллионы или миллиарды Солнц. Есть и третий вид, обнаруженный лет десять назад, — чёрные дыры промежуточных масс: не единицы и десятки масс Солнца, не миллионы и миллиарды масс Солнца, а что-то вроде 10 000 солнечных масс. Находят их в центре шаровых звёздных скоплений — это сравнительно небольшие объекты, насчитывающие сотни тысяч звёзд.
Но для погружения лучше всего подойдёт сверхмассивная чёрная дыра. Она может активно пожирать близкие звёзды, излучая массу энергии, а может тихо сидеть в центре галактики, искривляя траектории пролетающих мимо звёзд. Такая «тихая» сверхмассивная чёрная дыра массой в 4,5 миллиона солнечных есть и в центре Галактики. Но смотрим мы на неё сквозь диск Галактики — обзор загораживают огромные облака газа и пыли, поэтому разглядеть нашу родную дыру мы не можем. Зато можем изучать движения звёзд вокруг неё. За эту работу, которая велась 25 лет, американский и немецкий астрофизики недавно получили Нобелевскую премию.
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2020 года стали Роджер Пенроуз «за открытие того, что образование чёрных дыр является строгим следствием общей теории относительности», а также Райнхард Генцель и Андреа Гэз — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики».
А значит, искать самых крупных космических монстров незачем — всего-то и надо, что подлететь к центру Галактики. Вперёд!
Кот. Я вижу гигантскую чёрную дыру. Что за необычная форма диска — он и окружает её, и делит пополам, как кольцо Сатурна!
Сурдин. Когда мы смотрим на кольцо Сатурна, мы видим ту его часть, которая находится ближе, чем сама планета. А дальнюю часть кольца мы не видим, потому что планета её от нас закрывает. Но у чёрной дыры мы видим и дальнюю часть аккреционного диска, которая, казалось бы, должна быть закрыта всепоглощающим горизонтом событий. Дело в том, что идущие из-за чёрной дыры лучи света под действием колоссального притяжения огибают её и попадают в наши телескопы. Таким образом, мы видим дальнюю часть кольца сразу с двух ракурсов, потому что приходящие лучи могут обогнуть чёрную дыру как сверху, так и снизу.
Интересно, что американский астрофизик Кип Торн придумал, как выглядит чёрная дыра, за несколько лет до того, как астрономам удалось получить её первое изображение. Для фильма «Интерстеллар» он рассчитал параметры сверхмассивной чёрной дыры в рамках общей теории относительности, а режиссёр красиво воплотил его расчёты на экране.
Кот. Не для кота такая красота. Хвостом чую опасность, а точнее, гравитацию. Раз эти монстры всё притягивают, значит, и Землю могут засосать?
Сурдин. Если во время своего путешествия чёрная дыра случайно заглянет к нам в Солнечную систему, то, приближаясь, она сначала разбросает в стороны все планеты своей гравитацией. Всё-таки чёрная дыра намного массивнее Солнца, так что встреча с ней — это прежде всего потеря стабильности в движении объектов Солнечной системы. Если чёрная дыра врежется в планету, планета разрушится приливным влиянием дыры, а всё планетное вещество будет проглочено.
Кот. Ох… А много их, этих чёрных дыр?
Сурдин. Чёрных дыр во Вселенной не так уж много, по нашим подсчётам — около миллиарда, и разбросаны они далеко от нас. Солнечная система живёт пять миллиардов лет, и пока ни с одной чёрной дырой близко не встречалась, так что впереди нас, вероятнее всего, ждёт ещё несколько спокойных миллиардов лет.
Для сравнения: звёзд в видимой Вселенной примерно миллион миллиардов миллиардов.
Кот. Это лучшее, что я узнал о чёрных дырах!
Сурдин. Но есть гипотеза, что в космосе летают микроскопические чёрные дыры размером с нанометр и массой как у Эвереста. Такая дыра, в принципе, могла бы незаметно летать в космосе и время от времени пролетать сквозь Солнечную систему, не привнося никаких гравитационных возмущений. Врезавшись в Землю, она тоже больших неприятностей не доставит. Это как если бы земной шар проткнули горячей спицей. На поверхности появится что-то вроде небольшого вулкана — этакое горячее пятнышко. Потом чёрная дыра уйдёт вглубь Земли, где мы её вообще замечать не будем. Ну и с той стороны, где она выйдет, тоже образуется вулканчик. Упадёт она, вероятнее всего, в океан, который занимает две три земной поверхности. Поэтому мы даже не поймём, что на нас что-то свалилось, — просто метеор на небе промелькнёт. Мало их, что ли, мелькает?
Кот. А не выяснится однажды, что мы живём внутри чёрной дыры?
Сурдин. Это практически невозможно. Мы наблюдаем, как связаны друг с другом пространство и время. Мы можем находиться в одной точке пространства, но не можем находиться в одной точке временной шкалы. Мы непрерывно движемся из прошлого будущее, значит, мы не в чёрной дыре.
Паста по-чернодырски
Сурдин. Итак, мы подлетаем к сверхмассивной чёрной дыре, чтобы прыгнуть в самый её центр. Возможно, нас не порвёт на куски, но точно растянет. Стивен Хокинг назвал это эффектом спагеттификации.
Приближаясь к очень массивному компактному объекту, вы ощутите на себе действие приливного эффекта. Ваша голова будет чуть ближе к сингулярности, ноги чуть дальше. На них будут действовать настолько разные силы, что голова полетит вперёд намного быстрее, чем ноги. Приливный эффект растянет вас в макаронину.
Кот. А когда мы вернёмся из чёрной дыры, то на всю жизнь макаронами останемся?
Сурдин. Боюсь, обратно мы не вернёмся. Чёрная дыра — это путь в один конец. Но нам может повезти, и тогда мы окажемся в совершенно другой точке Вселенной. Для этого чёрная дыра должна оказаться червоточиной.
С ветерком по Галактике
Сурдин. Червоточина, или кротовая нора (по-английски и то и другое называется wormhole), — это ещё одно решение уравнений Эйнштейна, первым из которых как раз являются чёрные дыры. Второе решение выглядит так: две точки пространства могут быть объединены очень сильно деформированной областью пространства-времени. Каждая из этих точек будет выглядеть снаружи как чёрная дыра, то есть место, куда можно нырнуть и не вынырнуть. Но на самом деле там нет сингулярности и две дыры связаны между собой туннелем. Нырнув в один туннель, в принципе, можно вынырнуть через другой. Причём такое путешествие займёт гораздо меньше времени, чем движение от одной точки к другой по обычному пространству.
Но это решение очень неустойчиво. Точно так же мы можем найти математическое решение, при котором карандаш будет стоять на поверхности на своём острие. Математик легко скажет, как его надо поставить, но в жизни мы этого никогда не сделаем, и карандаш обязательно упадёт в какую-то сторону под действием самых малых возмущений. Так же и нырнувший в кротовую нору человек создаст малое колебание геометрии пространства-времени — туннель схлопнется и перестанет существовать.
Недавно астрономы обнаружили антигравитационное явление под названием тёмная энергия. Вселенная расширяется — что-то расталкивает галактики, заставляя их разлетаться. Это что-то — тёмная энергия, по сути, антигравитация. Если бы можно было прихватить с собой в червоточину немного антигравитационной тёмной энергии, то, похоже, туннель для путешествия между различными точками Вселенной удалось бы стабилизировать.
1. Сурдин и Кот на астероиде на удалении от сверхмассивной чёрной дыры, но ее видно. Сурдин устанавливает на поверхность астероида телескоп.
Кот. Ладно, так и быть, вечно всё приходится делать самому. Дальше я полечу один!
Сурдин. Уверен, что готов туда лететь? Назад дороги нет
2. Кот задумчиво смотрит вверх, в сторону черной дыры
Кот. Да. Надо же проверить, что будет, если отправить кота Шрёдингера в чёрную дыру. Я смогу держать с вами связь оттуда?
Сурдин. Нет, чёрная дыра не выпускает информацию
3. Сверяют время на наручных часах.
Кот. Значит, выйду на связь, когда вынырну с другой стороны
Сурдин. Надеюсь, надо сверить часы. Время совпадает
4. Кот прыгает с астероида и удаляется в сторону чёрной дыры. Сурдин и кот машут друг другу рукой. Сурдин смотрит в телескоп.
Кот. Смотрите внимательно, как надо падать в чёрную дыру, — показываю один раз
5. В течение следующих кадров мы наблюдаем падение Кота в телескоп глазами Сурдина. Закадровым текстом астроном комментирует происходящее.
Сурдин. Он падает всё быстрее и быстрее, его растягивает в макаронину
6-7. Кот замедляется. Крупный план на его часы. Они показывают другое время.
Сурдин. Он попал в такое мощное гравитационное поле, что время стало течь медленнее. Стрелки идут реже, чем мои
8. Кот начинает краснеть.
Сурдин. Краснеет, свету трудно выбраться из мощного гравитационного поля чёрной дыры. Кванты света, теряя энергию на то, чтобы попасть ко мне, становятся всё более красными, потом инфракрасными, потом радиоквантами
9. Кот исчез, видно только его часы, которые полностью остановились.
Сурдин. Часы остановились, он покраснел до полной черноты и пропал из виду. Значит, он пересёк горизонт событий и подобрался к сингулярности. Надеюсь, он выберется из чёрной дыры и расскажет, что там внутри
10. Растянутый кот летит внутри чёрной дыры к туннелю кротовой норы.
11. И вылетает с другой стороны рядом с далёкой звёздной системой.
Кот. Получилось. Теперь надо найти обитаемую планету и связаться с Владимиром Георгиевичем. Надеюсь, инопланетяне уже изобрели радио
Подвёрстка (в любое место, можно ближе к началу)
Кто придумал чёрные дыры
Впервые гипотезу о существовании чёрных дыр выдвинул английский естествоиспытатель Джон Мичелл в XVIII веке. Термина такого ещё, конечно, не было — Мичелл писал о невидимых звёздах. Изучив механику Ньютона, он пришёл к мысли, что если нам известна скорость света, то мы легко можем рассчитать размер и массу космического тела, с поверхности которого свет не сумеет улететь. Ведь к тому моменту скорость света была измерена — её знал уже Ньютон, астрономы измеряли скорость света с погрешностью не более 25%.
Термин «чёрная дыра» появился в середине 1960-х. Так назвал компактные и массивные небесные объекты американский физик Роберт Дикке, сравнив их с печально известной тюрьмой «Чёрная дыра» в Калькутте, откуда люди никогда не возвращались. Затем «чёрные дыры» пару раз мелькнули в заметках журналистов. А когда во время лекции в Калифорнийском технологическом институте Джон Арчибальд Уилер, один из создателей атомной и водородной бомбы, рассказывал об этом решении уравнений Эйнштейна, кто-то из студентов проронил слова black hole. Уилер выражение подхватил и через некоторое время использовал уже как научный термин.
"Практически у вас во дворе": черная дыра, которая находится так близко, что ее можно найти без телескопа
Совершенное при помощи нового способа наблюдений открытие заставляет думать, что подобных объектов в относительной близости от Солнечной системы значительно больше, чем полагали до сих пор.
Черная дыра, обнаруженная исследователями из Европейской южной обсерватории в Чили (ESO), находится на расстоянии всего в 1000 световых лет от Земли — ближе к Солнечной системе, чем любая другая из найденных раньше.
Она располагается к нам настолько близко, что зоркий наблюдатель в Южном полушарии в ясную ночь может увидеть две звезды, вращающиеся вокруг нее, даже без бинокля.
Расстояние в тысячу световых лет может показаться огромным в земных масштабах, но по космическим меркам это практически рядом.
Для сравнения, черная дыра, расположенная в центре нашей галактики Млечный Путь, находится в 25 тыс. световых лет от Солнца. А черная дыра, которую удалось сфотографировать группе ученых в прошлом году, находится на расстоянии около 50 млн световых лет, или почти 500 квинтиллионов (500 миллионов триллионов) километров.
Черная дыра, об обнаружении которой было объявлено 6 мая, входит в состав созвездия Телескоп и находится в центре тройной звездной системы HR 6819. По любопытному совпадению, ученые обнаружили этот объект, отследив движение обращающейся вокруг него пары звезд при помощи телескопа.
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Реклама подкастов
Хотя саму черную дыру увидеть невозможно, ее сопровождают две довольно яркие звезды, которые видны в телескоп как одна сияющая точка.
Основываясь на характере свечения, исходящего от нее, астрономы изначально предполагали, что имеют дело с двойной звездой.
Однако исследователи из ESO посредством мощного телескопа с диаметром зеркала 2,2 м, установленного на горе Ла-Силья в южной части пустыни Атакама, смогли отследить характер вращения двух этих звезд и обнаружить признаки наличия третьего, невидимого объекта.
Анализируя полученные даные, они заметили, что одна из двух видимых звезд совершает полный оборот вокруг некоего объекта каждые 40 дней, в то время как вторая находится на значительном расстоянии.
"Очевидно, что незримый объект с массой, в четыре раза превышающей солнечную, не может быть ничем иным, как черной дырой", — говорит руководитель исследовательской группы, обнаружившей объект, Томас Ривиниус.
"В масштабах Млечного пути она находится у вас практически на заднем дворе", — добавляет ученый.
Что такое черная дыра?
Автор фото, ESA/Hubble, M. Kornmesser
Обычно черные дыры выявляют благодаря их взаимодействию с другими космическими телами — например, когда она пожирает близлежащую звезду
- Черная дыра — это область пространства-времени, сила гравитации в которой настолько велика, что покинуть ее не могут никакие объекты или волны, в том числе свет
- Несмотря на название, черная дыра на самом деле не пуста изнутри. Напротив, она заполнена огромной массой материи, сжатой в небольшом объеме, что создает огромную силу притяжения
- Вокруг черной дыры располагается область, называемая горизонтом событий. Это воображаемая граница в пространстве, "точка невозврата", после пересечения которой вырваться из гравитационной ловушки уже невозможно.
Астрономы считают, что это открытие — верхушка айсберга, и в нашей Галактике может находиться множество черных дыр, подобных этой.
"Должно быть, там сотни миллионов таких звезд, но пока нам известно всего несколько, — говорит Томас Ривиниус. — Более четкое понимание того, на что следует обращать внимание, поможет нам в поиске".
Чаще всего черные дыры обнаруживают благодаря своего рода актам насилия, которые она совершает над находящимися в сфере ее притяжения другими космическими телами. Черная дыра в системе HR 6819 — один из первых подобных объектов звездной массы, который напрямую не взаимодействует с окружающим космосом, что делает ее подлинно черной дырой.
Ученые впервые сфотографировали черную дыру
"Узнавать про тигровых акул интересней, чем про кильку"
Ученые нашли близкую к Земле черную дыру. Почему это важно? Рассказывает астрофизик
О том, как ученым удалось выявить эту черную дыру и как изучение подобных таинственных объектов может помочь в изучении устройства Вселенной, Русская служба Би-би-си спросила профессора Российской академии наук (РАН) астрофизика Сергея Попова.
Би-би-си: Как именно обнаружили эту черную дыру?
Сергей Попов: Черная дыра входит в состав тройной системы. Есть тесная пара из двух объектов и третий объект, вращающийся снаружи по широкой орбите. При помощи телескопа можно изучать внешнюю звезду и один из объектов во внутренней системе.
Ученые пытались понять, что из себя представляет третий невидимый объект. В частности, изучали скорости движения двух видимых звезд в этой системе, и при обработке данных оказалось, что невидимый объект, скорее всего, и есть черная дыра.
Именно таким способом предлагали искать черные дыры 50-60 лет назад, когда еще не знали ни одной.
Технически это трудно реализовать в массовом порядке, ведь мы не знаем, куда надо смотреть. Поэтому необходимо просеивать огромное количество звезд, чем и занимаются ученые.
Начиная с 1970-х гг., черные дыры обнаруживали в двойных системах по рентгеновскому излучению: ярких рентгеновских источников на небе не так уж много — гораздо меньше чем звезд. И в них часто центральными объектами, на которые течет звездное вещество, оказываются черные дыры.
Автор фото, ESO/José Francisco Salgado
Обсерватория Ла-Силья в Чили
В итоге, только в нашей Галактике мы знаем десятки двойных систем с черными дырами благодаря рентгеновским наблюдениям.
Однако, похоже, что в ближайшие годы основные прибавления в зоопарке известных дыр в двойных системах будут связаны не с рентгеновской, а с оптической астрономией. Эта методика будет применяться чаще, потому что такие исследования можно проводить с помощью относительно недорогих телескопов.
Би-би-си: Чем это открытие так важно?
В первую очередь, это интересно для тех, кто изучает эволюцию двойных и тройных звезд. Насколько я знаю, это первая черная дыра в тройной системе. Это красиво выглядит, но фундаментальной значимости, кроме как особенности эволюции двойных-тройных систем, она, на мой взгляд, не представляет.
Это открытие еще нуждается в подтверждении — например, независимыми группами ученых. В отличие от недавней фотографии черной дыры — большого проекта со множеством участников, в случае небольших проектов часто оказывается, что система нуждается в более тщательном изучении и доработке, чем сделано в самой первой статье.
Например, когда в ноябре прошлого года группа астрономов заявила об обнаружении необычайно массивной черной дыры в двойной системе, ученые бросились все проверять. И оказалось, что дыры там нет.
Будем надеяться, что в данном случае открытие не отменят. К тому же остаются сомнения, что это в самом деле ближайшая из известных черных дыр. Точность измерения расстояний пока недостаточно высока, и, может быть, предыдущий рекорд — принадлежащий, кстати, рентгеновской двойной системе, — устоит.
Автор фото, Getty Images
Исследования черных дыр помогают приблизить нас к пониманию фундаментальных свойств гравитации
Би-би-си: Почему черные дыры важны для научного мира и для нас? Что они нам могут рассказать?
Черные дыры — загадочные объекты, пользующийся особой популярностью у широкой публики. В самом деле, это уникальные объекты, в них действие гравитации проявляется самым сильным и интересным образом.
Это приводит ко всяким необычным эффектам, с которыми мы не сталкиваемся в реальной жизни. Например, очень сильное искривление траектории световых лучей, сильное замедление времени. Эти эффекты можно измерить с помощью точных приборов и на Земле, но в черных дырах это проявляется гораздо сильнее, чем и объясняется дополнительный интерес к ним.
Основная значимость изучения черных дыр — в том, что они помогают нам приблизиться к пониманию фундаментальных свойств гравитации.
То, с чем мы не сталкиваемся в реальной жизни, часто вызывает больший интерес. Например, гигантская китовая акула ненамного интереснее кильки с точки зрения фундаментальной биологии: и те, и другие — рыбы. Но с кильками мы постоянно сталкиваемся, а китовых акул видим в основном по телевизору.
В этом смысле людям интереснее узнать про китовых акул, чем про килек. Хотя с точки зрения физиологии рыб разница не такая уж большая.
Астрономы нашли ближайшую к нам черную дыру
Черная дыра Gaia BH1 оказалась самой близкой к Земле из всех известных. Она находится всего в 1600 световых годах и набирает массу в десять раз больше Солнца.
Черная дыра Gaia BH1 и ее звезда-соседка: взгляд художника / ©International Gemini Observatory, NOIRLab, NSF, AURA, J. da Silva, Spaceengine, M. Zamani
Предполагается, что в Млечном пути могут быть сотни миллионов черных дыр звездных масс. Обнаружить такие компактные и темные объекты крайне сложно, и до сих пор их известно лишь несколько десятков. Подавляющее большинство найденных черных дыр «выдал» их партнер — соседняя звезда, от которой дыра перетягивает вещество. Закручиваясь и ускоряясь, это вещество сильно раскаляется и активно излучает в рентгене.
Черные дыры, не входящие в состав таких ретгеновских двойных систем, заметить куда сложнее. Такую возможность дает, например, гравитационное линзирование — искажение света далеких звезд, который на пути к нам проходит поблизости от тяжелой и плотной черной дыры. Однако до сих пор найдены лишь кандидаты в подобные объекты, и ни один из них не подтвержден окончательно.
Наконец, указание на присутствие черной дыры может дать слабое колебание положения соседней звезды, вместе с которой она вращается вокруг общего центра тяжести. Такая находка была сделана пару лет назад, когда ученые сообщили об обнаружении потенциальной черной дыры в системе HR 6819, всего в 1100 световых лет от Солнца. Однако впоследствии это открытие не подтвердилось.
Таким же путем была замечена и потенциальная черная дыра Gaia BH1, о которой рассказывается в новой статье, опубликованной в журнале MNRAS. Космический телескоп Gaia заметил колебания звезды солнечного типа, расположенной в 1560 световых годах от нас. Это движение может вызываться невидимым массивным объектом, поэтому астрономы дополнительно исследовали звезду наземными инструментами обсерватории Джемини. Работа позволила уточнить параметры движения звезды, вычислить ее массу и массу ее невидимого партнера.
Черная дыра Gaia BH1 оценивается в 10 масс Солнца, и вокруг нее вращается звезда солнечного типа. Их разделяет примерно то же расстояние, что и Землю от Солнца. «Возьмите Солнечную систему, поместите на место Солнца черную дыру, Солнце — на место Земли, и вы получите эту систему, — объясняет Карим Эль-Бадри (Kareem El-Badry), один из авторов находки. — Это первое надежное обнаружение звезды солнечного типа, находящейся на широкой орбите вокруг черной дыры звездной массы».