Черные дыры — это огромные скопления материи, «упакованные» в очень малые пространства. Их гравитация настолько сильна, что не пропускает даже свет. На данный момент ученым известно немного об этих объектах. Рассказываем, как устроены черные дыры, из чего они появляются и в какие мифы о них стоит перестать верить.
Кто открыл черные дыры
Первые сведения о черных дырах появились в 1930 году. Тогда молодой астрофизик индийского происхождения Субрахманьян Чандрасекар подсчитал, что все звезды, масса которых превышает массу Солнца более чем в 1,4 раза, в итоге исчерпают топливо и разрушатся.
Солнце. Источник: NASA
Открытие вызвало недоверие у ученых: публично идею раскритиковал известный астрофизик Артур Эддингтон. Он заявил, что в природе должен быть закон, который не позволит звезде работать так абсурдно.
Однако вскоре ученые выяснили, что разные законы, в том числе теория относительности Эйнштейна, доказывают существование черных дыр. Тогда идея получила большее признание. Во второй половине XX века объекты исследовали выдающиеся ученые-теоретики. Среди них — Стивен Хокинг, Джон Уиллер, Джейкоб Бекенштейн, Роберт Уолд.
Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
В 1965 году будущий нобелиат Роджер Пенроуз доказал, что черные дыры действительно существуют и детально описал их строение. В 1969 году вместе со Стивеном Хокингом выяснили, что вся материя внутри объекта коллапсирует в сингулярность — геометрическую точку в пространстве, где масса сжата до бесконечной плотности и нулевого объема.
В 1990-е ученые Андреа Гез и Райнхард Генцель в ходе наблюдения за звездами возле центра Млечного Пути пришли к выводу, что они вращаются вокруг невидимого массивного объекта. В 2020 году за это открытие они получили Нобелевскую премию.
В 2015-м Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) зафиксировала рябь от столкновения двух черных дыр. В 2019 году благодаря алгоритму, который разработала ученая Кэтрин Боуман, телескоп горизонта событий запечатлел газ, вращающийся вокруг гигантской черной дыры в другой галактике. В 2022 году команда впервые в истории получила изображение черной дыры, которая находится в центре Млечного Пути.
Как образуется черная дыра
Черная дыра возникает в конце эволюции сверхмассивной звезды из-за быстрого сжатия под действием гравитационных сил. Это явление называют коллапсом. По сути звезда бесконечно падает к своему центру, создавая черную дыру. Материя сжимается до бесконечно маленькой и плотной точки — сингулярности. Вокруг нее образуется горизонт событий — невидимая граница, за которой гравитация становится непреодолимой. Любой объект, пересекающий эту границу, не может вернуться обратно.
Движение газа вокруг черной дыры. Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
Астрономы также предполагают, что некоторые скопления материи имеют незвездное происхождение. Они появляются в центрах галактик (в том числе очень отдаленных) в результате коллапса больших объемов межзвездного газа.
Структура черной дыры
Горизонт событий. В астрофизике так называют границу в пространственно-временном континууме, за которой гравитационное притяжение настолько сильное, что свет не может его преодолеть. Поэтому черные дыры не излучают и не отражают свет, а ученые не могут разглядеть, что находится внутри материи. Однако они могут наблюдать за черными дырами благодаря окружающей материи, которая способна излучать свет.
Аккреционный диск. Он состоит из газа, который материя притягивает для приращения массы — этот процесс называется аккреция. Вещество постепенно перемещается из внешней части диска к его внутреннему краю, где попадает в горизонт событий.
Аккреционный диск имеет странную форму при взгляде с большинства углов. Это происходит потому, что гравитационное поле черной дыры искривляет пространственно-временной континуум — «полотно» вселенной. А свет следует искаженному пути. Астрономы называют этот процесс гравитационным линзированием. Свет, идущий к нам из верхней части диска за черной дырой, как будто образует выпуклость над ней. Свет из-под дальней стороны диска идет по другому пути, создавая еще один полукруг внизу. Их размеры и формы меняются, если посмотреть на них с разных углов.
Аккреционный диск выглядит, как горизонталь, пересекающая черную дыру. Источник: Aman Pal
Фотонная сфера. С любого ракурса у черной дыры видны тонкие кольца света. Это множественные, сильно искаженные изображения аккреционного диска, которые называют фотонной сферой.
Корона. Это разреженное, турбулентное облако температурой в миллиард градусов, простирающееся над и под диском. Частицы в короне вращаются вокруг черной дыры со скоростями, близкими к скорости света. Она является источником рентгеновского излучения с гораздо более высокой энергией, чем те, что исходят от аккреционного диска.
Корона обрамляет черную дыру сверху и напоминает нимб. Источник: BoliviaInteligente
Струи частиц (релятивистские струи или джеты). Это потоки материи, выбрасываемые из аккреционного диска. Когда материя (например, газ или пыль) начинает вращаться вокруг черной дыры и падает в нее, она сильно разогревается и начинает светиться. Часть не попадает внутрь, а выбрасывается в космос в виде мощных струй, которые направлены вдоль оси вращения диска.
Джеты могут двигаться с огромной скоростью, близкой к скорости света и простираться на миллионы световых лет в космосе. Их часто можно наблюдать через радиотелескопы.
Сингулярность. Сингулярность — это теоретическое место в центре черной дыры, где материя сжимается в маленький объем, и плотность становится бесконечной. В такой точке пространство и время искривляются так сильно, что привычные законы физики перестают работать — они просто не могут описать происходящее.
Ученые не уверены, что настоящая сингулярность в виде бесконечно плотной точки действительно существует. В квантовой гравитации есть гипотеза о звезде Планка. Согласно ей, квантовые свойства пространства-времени не дают материи сжаться до чистой точки — вместо этого образуется очень маленькая, но конечная область.
Вопросы о черных дырах
Черная дыра и «кротовая нора» — это одно и то же?
Нет, это разные объекты. «Кротовая нора» — это гипотетический объект в пространстве-времени, астрофизика не доказала его существование. Его часто представляют как тоннель, тогда как черная дыра больше напоминает ловушку, из которой невозможно выбраться. Она не имеет «выхода» в другой точке, как «кротовая нора».
Черная дыра поглощает звезду. Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
Черная дыра может затянуть вселенную?
Гравитация черной дыры работает, как и на других объектах, однако из-за компактного размера она создает сильное притяжение рядом. Около 90% материи, которая находится рядом с черной дырой, не попадает внутрь. Большая часть нагреется и будет взаимодействовать с магнитными полями и частицами в аккреционном диске — в итоге ее выбросит обратно в пространство. Только небольшая часть пересечет горизонт событий — границу, после которой уже невозможно выбраться.
Модель черной дыры в галактике NGC 1600. Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
Шанс, что какой-то объект в галактике в итоге «упадет» в черную дыру, очень мал. Планеты, звезды и газ в основном движутся по стабильным орбитам. Даже процессы, которые могут «подтаскивать» к черной дыре (гравитационные взаимодействия или излучения гравитационных волн) обычно происходят невероятно медленно. Поэтому черные дыры не поглощают космические объекты массово и непрерывно.
Может ли черная дыра существовать бесконечно?
На самом деле она может терять массу через излучение Хокинга. Это квантовый процесс, при котором черная дыра постепенно «испаряется». Вокруг любой черной дыры пространство не пустое: по законам квантовой физики там постоянно возникают короткоживущие пары частицы и античастицы. Обычно они сразу сталкиваются и исчезают.
Но если такая пара появляется прямо у горизонта событий, частицы могут разойтись. Одна может упасть внутрь черной дыры, а другая — вылететь наружу. Более легкие черные дыры испускают больше частиц, теряют массу и становятся горячее. В какой-то момент они выделяют большое количество энергии за короткое время, что может привести к наблюдаемому взрыву.
Разрыв звезды во время поглощения черной дырой. Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
В сентябре 2025 года физики из Массачусетского университета опубликовали исследование, в котором заявили, что в течение ближайших десяти лет может произойти взрыв черной дыры. Раньше такой исход считали маловероятным, однако сейчас возможность одного взрыва, по их оценкам, составляет около 90%. Однако зафиксировать такой взрыв напрямую пока нельзя, но с существующими телескопами в перспективе это может стать возможным.
Что случится с человеком в черной дыре?
При приближении к черной дыре на человека начнут действовать огромные приливные силы. При этом гравитация с ближайшей к материи стороны сильнее, чем с дальней, Эффект объясняется общей теорией относительности, которую создал Альберт Эйнштейн. Согласно ей, гравитация — это не просто сила, а искривление пространства и времени материей. Чем ближе объект к массивным объектам, где гравитация сильнее, тем медленнее для него идет время относительно наблюдателя вдали от этой массы.
Когда человек приближается к горизонту событий (границе черной дыры), этот эффект усиливается: с точки зрения внешнего наблюдателя время для падающего замедляется все сильнее. Поэтому тело будет растягиваться и деформироваться. Этот эффект называется спагеттификация.
Черная дыра в сверхплотной галактике M60-UCD1. Источник: Космический телескоп «Хаббл» NASA
При этом время для человека и для внешнего наблюдателя течет по-разному: чем ближе человек находится к горизонту событий, тем сильнее для него замедляется время по сравнению с теми, кто наблюдает издалека.
Когда человек пересекает горизонт событий — точку невозврата, — его дальнейшая судьба точно неизвестна. По мере падения внутрь пространство-время все сильнее искривляется, и человек приближается к сингулярности.
Вывод
Черные дыры остаются одними из самых загадочных объектов во вселенной, но за последние десятилетия человечество продвинулось в их понимании дальше, чем когда-либо. Пока точно неизвестно, как они устроены внутри и что происходит за горизонтом событий, однако сегодня черные дыры, как и другие космические объекты, могут стать ключом к пониманию того, как устроена вселенная.
Нужна работа по низкой цене? У нас вы можете заказать статью по астрономии недорого!
Комментарии