Черная дыра: что это такое, как выглядит и что находится внутри

Вселенная — место малоизученное. Что уж говорить про черную дыру — одно из самых загадочных мест в нашем мире. Но кое-что ученые уже выяснили. Рассказываем, что такое черная дыра и какая она внутри.

В этой статье:

Черная дыра: что это такое

Черная дыра (ЧД) — это область во Вселенной с колоссальной гравитацией. Ее никто не может преодолеть, включая фотоны света.

Впрочем, единого четкого определения нет. Черная дыра — штука хоть и доказанная, но до сих пор довольно теоретизированная. Поэтому все, что про нее известно (и что мы дальше расскажем), — гипотезы.

Как она выглядит

Фактически это и не дыра вовсе. Просто это определение удачно раскрывает ее свойства: все, что туда падает, обратно уже не возвращается. А черная она, потому что не светится и не отражает свет. Да и вообще ничего не излучает.

Поэтому черная дыра, можно сказать, никак не выглядит — это абсолютно черный объект. Но при этом его сильное гравитационное поле искажает пространство и время. Даже свет меняет траекторию, когда проходит слишком близко. Так образуется гравитационная линза, которая искажает материю пространства-времени.

Что такое горизонт событий

Как таковой поверхности у черной дыры нет, но есть мнимая граница, попав за которую, объект уже не сможет выбраться. Называется она красивым термином «горизонт событий».

Все, что за него попадает, не падает, как камень на землю, а очень быстро вращается вокруг центра, сильно вытягиваясь. Для этого даже придумали термин «спагеттификация».

Если космонавт приблизится к горизонту событий ногами вперед, нижняя часть его тела моментально (почти со скоростью света) вытянется, а голова некоторое время будет оставаться на месте. Тело начнет сжиматься, вытягиваясь в струну (спагеттину), потому что гравитация будет действовать на ноги сильнее, чем на верхнюю часть туловища.

По мере приближения к горизонту событий сила гравитации будет увеличиваться. Но для стороннего наблюдателя будет казаться, что космонавт замедляется.

Что внутри черной дыры

Никто не знает, что происходит за горизонтом событий. Согласно наиболее популярной теории, в центре черной дыры находится сингулярность. Так называется область, в которой материя пространства-времени искривляется бесконечно.

Граница горизонта событий не делит одно пространство-время на две части — внутри и снаружи. Это «место склейки» двух абсолютно разных метрик. Пространство приобретает свойства, которые мы связываем со временем, а время в какой-то степени наделяется свойствами пространства (на это указывают формулы теории относительности).

Двигаться внутри ЧД можно только в центр, туда, где расположена сингулярность. И в конце пути любой объект ждет печальный исход — его разорвет на атомы.

Как находят черные дыры

Ученые давно фиксировали ЧД по косвенным признакам вроде гравитационных линз. Но у большинства астрономов-энтузиастов большой мечтой было взглянуть на нее хоть одним глазком.

Может показаться, что раз черные дыры все поглощают и «не отсвечивают», то их нельзя обнаружить. Но на самом деле найти их легко — по мере приближения объекты начинают вращаться вокруг горизонта событий и, сталкиваясь друг с другом, распадаются на фрагменты разного размера.

Приливные силы и гравитационное притяжение ЧД разрывает объект и ускоряет его до огромных скоростей. В результате они движутся с центростремительным ускорением и начинают излучать электромагнитные волны.

Аккреционный диск можно увидеть в мощный телескоп. Кстати, именно его вы могли наблюдать в фильме «Интерстеллар».

Джереми Шнитман и Брайан Пауэлл — двое ученых из Центра моделирования климата НАСА — воспользовались местным суперкомпьютером, чтобы визуализировать модели сверхмассивных ЧД. Получилось довольно похоже на то, что показано в фильме.

Аккреционный диск можно увидеть лишь у очень больших черных дыр. Например, у объекта «Стрелец А*» в центре нашей Галактики. Если диаметр меньше, то диск скромнее и незаметнее.

Еще один способ «поймать» ЧД — уловить гравитационные волны. Так называется возмущение материи пространства-времени, которое распространяется волнообразно по Вселенной. Их фиксируют гравитационные обсерватории в США и Европе.

Виды

Черные дыры отличаются в основном массой и, как следствие, размерами. Присущие большинству других космических объектов характеристики вроде плотности, температуры и прочего у них попросту отсутствуют.

Современная наука выделяет три вида ЧД: реликтовые, звездные и сверхмассивные. Рассмотрим их подробнее.

Реликтовые

Иногда их называют первичными — они зародились вскоре после Большого взрыва. Так называется общепринятая модель появления Вселенной примерно 13,7 миллиарда лет назад.

В результате взрыва высвободившееся вещество начало стремительно расширяться (чем, кстати, занимается до сих пор). В это же время образовались неоднородные сгустки, из которых появились первичные черные дыры.

Реликтовые ЧД могут быть довольно компактными. Даже меньше, чем протон. Поэтому найти их практически невозможно, и они, по сути, гипотетические объекты. Впрочем, многие астрофизики полагают, что после Большого взрыва они должны были образоваться в большом количестве.

Звездные

Название говорит само за себя — большинство из них образовались после коллапса больших звезд. Но не всякое светило способно на такие преображения — они должны быть тяжелее Солнца в несколько раз.

Не стоит переживать, что наше светило когда-нибудь сколлапсирует в черную дыру и поглотит Землю — массы для этого недостаточно. Теоретически любой предмет можно превратить в ЧД, но Солнце, по словам ученых, станет белым карликом (что для планеты тоже не очень хорошо). Благо это будет примерно через четыре миллиарда лет.

Также звездные ЧД могут образоваться в результате аккреции — так называется процесс, когда рядом находящиеся вещества (газ, пыль, обломки комет) падают на объект в космосе.

В большинстве случаев таким объектом выступает нейтронная звезда (тело с очень высокой плотностью). В результате аккреции она накапливает критическую массу и коллапсирует в звездную ЧД.

Приблизиться к загадкам черной дыры можно, начав с изучения астрономии. Для этого потребуется обширная библиотека и хороший телескоп — он покажет звездное небо в новых красках и подробностях. Оформите карту «Халва», чтобы сделать новое хобби менее затратным.

Сверхмассивные

Это настоящие гиганты даже по космическим меркам. Они «весомее» нашего родного светила в миллионы, а то и миллиарды раз. При этом относительно компактные — их диаметр обычно не больше, чем у Солнечной системы. Для нас это, конечно, ого-го! Но по меркам Вселенной — песчинка.

«Живут» они обычно в центре Галактик, питаясь окружающим веществом. Одну даже смогли сфотографировать — это та самая «Стрелец А*» в центре Млечного пути. Расстояние до нее около 27 тысяч световых лет, а весит она в 4,29 миллиона раз больше Солнца.

Само собой, ученые получили не фото черной дыры (так как ее невозможно увидеть) а только тень — темный силуэт, окруженный аккреционным диском.

Астрофизики выделяют несколько гипотез образования сверхмассивных ЧД:

1. Столкновение и последующее слияние нескольких ЧД поменьше. Некоторые ученые ставят ее под сомнение: для этого процесса нужно несколько миллиардов лет.

2. Аккреция окружающего вещества на звездную черную дыру.

3. Коллапс массивных газовых облаков в релятивистскую звезду. В дальнейшем она также коллапсирует, но без образования сверхновой звезды, при котором большую часть материи разбросало бы взрывом.

4. Самовзаимодействие темной материи (хотя ее и не обнаружили в явном виде). Тем не менее ученые полагают, что Вселенная примерно на 85% состоит из темной материи.

Любопытные гипотезы

Неудивительно, что вокруг ЧД сложилось множество гипотез, которые пока ни доказаны, ни опровергнуты. Мы собрали для вас самые любопытные из них.

Черные дыры все же могут что-то излучать

Вообще, в науке так часто бывает: то, что сегодня канон, завтра — мракобесие. Яркий пример — геоцентрическая система мира. Раньше всерьез считали, что Солнце вращается вокруг Земли. Сегодня на подобные утверждения ученые лишь усмехаются.

Одна из гипотез гласит, что черные дыры постепенно испаряются, то есть излучают некие частицы. Можно было бы пройти мимо этой теории, если бы не одно «но» — ее выдвинул сам Стивен Хокинг, а также подарил эффекту (излучению) свою фамилию.

Крупные ЧД испаряются настолько медленно, что это можно и не учитывать. Совсем другое дело — микроскопические черные дыры. Считается, что в этом случае их можно использовать в качестве источника энергии для сингулярного реактора.

Кстати, это отразилось и в массовой культуре: сингулярный реактор или двигатель на его основе встречается во многих научно-фантастических фильмах и играх. Например, в «Звездных войнах», «Вавилоне-5», «Сквозь горизонт» и так далее.

Мы живем в черной дыре

Это не самая популярная теория среди ученых. Но ЧД интересны тем, что почти все, что их касается, невозможно подтвердить или опровергнуть.

Согласно гипотезе, после Большого взрыва образовалась черная дыра, в которой наша Вселенная и находится. А за ее пределами есть так называемая Метавселенная, которая полна другими похожими ЧД.

При этом свою черную дыру покинуть невозможно, так как нельзя превысить скорость света. Впрочем, даже это не гарантирует успех.

Белая дыра

Если есть черная дыра, то почему бы не быть белой? Так называют гипотетический объект, к которому ничего не может приблизиться. Обе дыры тесно связаны с так называемыми червоточинами, или кротовыми норами — тоннелями в материи пространства-времени.

Согласно одной из версий, попав в черную дыру, объект вылетает через белую, вероятно, в параллельной Вселенной. Любопытно, что общая теория относительности Эйнштейна вполне допускает существование таких туннелей.

Мы знаем, что свет падает на предметы и отражается. Но что фотоны делают в черной дыре, когда не могут выбраться? Почему бы им не высвобождаться через белую дыру?

Впрочем, ученые ставят под большое сомнение существование белых дыр. Главным образом потому, что такие объекты должны уменьшать рассеивание энергии — энтропии. А согласно второму закону термодинамики, она либо растет, либо не меняется. Но уж никак не уменьшается.

Черная дыра — параллельная Вселенная

Стивен Хокинг высказал еще одну интересную гипотезу. Она гласит, что сингулярность — это альтернативная реальность. Или, говоря другими словами, параллельная Вселенная. Если это так, то через ЧД можно безболезненно и даже бесплатно путешествовать в другие миры. Но проверять не советуем.

Заключение

Тема Вселенной очень обширна и разнообразна. О ней можно говорить долго и строить множество гипотез. Все равно вряд ли их получится опровергнуть. Особенно если не рассказывать именитым ученым. Зато всегда можно вооружиться нашей статьей и подискутировать с друзьями.

Вся информация о ценах, партнерах и тарифах актуальна на момент публикации статьи.

Действующие магазины-партнеры Халвы