Черные дыры — это темные остатки коллапсировавших звезд, области пространства, отрезанные от остальной Вселенной. Если что-то упадет в черную дыру, оно никогда не сможет оттуда выбраться. Даже свет не может убежать, а это значит, что черные дыры невидимы даже с помощью мощных телескопов. Однако физики знают, что черные дыры существуют потому, что они соответствуют проверенным временем теориям, и потому, что астрономы наблюдали за тем, как материя ведет себя прямо за пределами черной дыры.
Естественно, научная фантастика любит такую загадочную сущность. Черные дыры играли главные роли в популярных книгах, фильмах и телевизионных шоу, от «Звездного пути» и «Доктора Кто» до блокбастера 2014 года «Интерстеллар».
Но черные дыры не так угрожающи, как их обычно изображают. «Они определенно не засасывают», — говорит Дэрил Хаггард, астрофизик из Университета МакГилла в Монреале. «Черная дыра просто сидит там, пассивно. Вещи могут падать на нее, так же, как метеоры могут падать на Землю, но она не притягивает вещи».
Как образуются черные дыры?
Сила гравитации управляет движением планет, звезд и галактик, и она ответственна за создание черных дыр.
Звезды сияют из-за реакций ядерного синтеза, происходящих в их ядрах. Эти реакции создают внешнее давление, которое противодействует внутреннему притяжению гравитации. В результате звезда не расширяется и не сжимается. Но когда звезда исчерпывает запасы топлива и внешнее давление останавливается, гравитация заставляет звезду сжиматься.
Что будет дальше, зависит от размера звезды. Если речь идет о массе нашего Солнца или немного больше, то она будет разрушаться до тех пор, пока не станет телом примерно земного размера, известным как белый карлик. Звезды, которые значительно больше, будут коллапсировать в сверхплотный объект, известный как нейтронная звезда. Если она действительно большая, коллапс нельзя остановить — и вы получите черную дыру.
Почему ничто не может вырваться из черной дыры? Ключ — это то, что называется скоростью убегания: скорость, необходимая для преодоления гравитационного притяжения определенной звезды или планеты и выхода в космос.
Космическая скорость Земли составляет около 7,91 км в секунду. Бросьте бейсбольный мяч в воздух, и он упадет обратно, потому что его скорость ниже скорости бегства от Земли; если ваш мяч превысит 40 225 км в час, он никогда не упадет вниз.
Скорость убегания наиболее высока для объектов, которые массивны, но малы по размеру. В случае черной дыры скорость побега больше скорости света. Так как ничто не может двигаться быстрее света (то, что Эйнштейн показал своей теорией относительности), звезда исчезает. Когда свет не может покинуть поверхность тела, то тело кажется черным.
Черная дыра ограничена своим горизонтом событий, воображаемой сферой, которая представляет собой область, где скорость побега точно равна скорости света.
Черные дыры различаются по размеру, их масса варьируется от нескольких солнц (и диаметра в несколько километров) до миллионов солнечных масс (и диаметра в несколько миллионов километров). Считается , что самая большая из этих так называемых сверхмассивных черных дыр находится в центре большинства галактик, включая наш собственный Млечный Путь.
Астрономы до сих пор обсуждают, как образуются эти колоссальные черные дыры. Одна из возможностей заключается в том, что они являются результатом слияния черных дыр размером со звезду.
Что внутри черной дыры?
Никто точно не знает, что находится за горизонтом событий черной дыры. Некоторые физики предполагают, что материя внутри настолько сжата, что образует точку бесконечной плотности, известную как сингулярность. С этой точки зрения черную дыру можно считать пустым пространством, масса которого сосредоточена в бесконечно малой точке в центре.
Любой, кому не посчастливится упасть в черную дыру, будет разорван на части интенсивной гравитацией — растянутой, как спагетти, как прекрасно выразился Стивен Хокинг — с его или ее массой, добавленной к массе черной дыры.
Другие физики подвергают сомнению этот взгляд на внутреннюю часть черной дыры, утверждая, что более всеобъемлющая физическая теория, сочетающая теорию гравитации Эйнштейна и квантовую теорию, может устранить сингулярность.
Черные дыры могут быть темными, но это не значит, что мы не можем их изучать.
Астрономы многое узнали о черных дырах, наблюдая за тем, что происходит с газом и пылью, которые попадают в них. Такой материал может достигать очень высоких температур, заставляя его излучать свет на различных длинах волн.
Телескоп Горизонт событий (Event Horizon), охватывающий весь земной шар массив радиотелескопов, дает астрономам их ближайший взгляд еще на область непосредственно за пределами черной дыры. Астрономы также использовали Очень большой телескоп (Very Large Telescope) для изучения движения звезд вблизи сверхмассивной черной дыры Млечного Пути, известной как Стрелец A* (произносится «Стрелец А со звёздочкой»). Из этих движений можно вывести некоторые свойства черной дыры.
Открытие гравитационных волн в 2015 году означает, что ученые могут использовать эти волны для изучения столкновений между черными дырами в глубоком космосе.