Сквозь пространство и время: самый ужасающий объект во Вселенной

19 декабря 2023, 18:23

Одной из загадок Вселенной, которая продолжает увлекать умы учёных из разных стран, являются чёрные дыры. Они занимают центральное место в космологии и астрофизике и считаются одними из наиболее таинственных явлений. Именно о них и пойдёт речь в нашей статье. Мы поговорим о том, что из себя представляют чёрные дыры, как они влияют на космос и какие теории о них существуют.

Сквозь пространство и время: самый ужасающий объект во Вселенной — © Ferra.ru

Что такое чёрная дыра?

Чёрная дыра — это даже не объект, а некая область пространства, где гравитационное притяжение настолько сильное, что ничто, даже свет, не может из неё выбраться. Часто чёрные дыры образуются после гибели массивных звёзд. Когда у неё истощается собственный ядерный топливный запас, она может коллапсировать под своим гравитационным давлением и превратиться в чёрную дыру.

Для того, чтобы звезда стала чёрной дырой, её ядро при коллапсе должно сжаться настолько сильно, чтобы пересечь радиус Шварцшильда — собственно радиус, до которого нужно сжать объект, и который зависит от массы самого объекта.

А ещё чёрная дыра может родиться в центре галактики. Там тоже происходит коллапс, только уже многих звёзд и газа. Тогда появляется сверхмассивная чёрная дыра, которая может обладать массой до 20 млрд Солнц. На секундочку, наше Солнце весит 1 983 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кг.

Таким образом, чёрные дыры обладают невероятно сильной гравитацией, которая способна деформировать время и пространство вокруг них.

Строение чёрной дыры можно описать следующим образом:

Фотонная сфера. Представляет собой уникальное пространство вокруг чёрной дыры, где фотоны, под воздействием её гравитации, вступают на орбитальные траектории вокруг неё, подобно орбите планет вокруг звезды.

Если вы окажетесь на фотонной сфере чёрной дыры, вы столкнетесь с необычным явлением: повернувшись назад и взглянув на себя, вы сможете увидеть собственное тело, словно находитесь в игре, где наблюдаете своего персонажа от третьего лица.

Горизонт событий. Вот сюда попадать точно не стоит, ибо ждёт вас лишь одностороннее и необратимое путешествие. Это пространство отделяет чёрную дыру от остальной Вселенной, потому что притяжение черной дыры за горизонтом настолько сильно, что никакая скорость, даже световая (300 тысяч километров в секунду), не позволит вам выбраться обратно.

Сила притяжения будет постоянно увеличиваться, и уйти от черной дыры станет невозможным. Поэтому останется лишь расслабиться и ~~получать удовольствие~~ ждать неизбежного конца.

Путь до сингулярности — центральной точки чёрной дыры, где сила гравитации становится необъяснимо сильной, пройдёт в полной темноте. Даже самый мощный источник света не озарит эту абсолютную тьму. Развеять её просто невозможно! Более того, вы окажетесь в полной изоляции от всей остальной Вселенной.

Если вдруг вы упадете в сверхмассивную чёрную дыру, у вас есть крохотный шанс пересечь горизонт событий без особо страшных последствий.

Однако, если чёрная дыра небольшая, то возможность выжить стремиться к нулю. Ближе к сингулярности приливные силы резко возрастают и становятся беспощадными: вы на себе испытаете «спагеттификацию» — огромные приливные силы начнут действовать на тело неравномерно.

Вас растянет, как свежезамешанные спагетти. Притяжение это будет всё нарастать, пока не разорвет вас на мельчайшие части. Приятного аппетита, чёрная дыра.

Относительное расположение горизонта событий и сингулярности определяет, насколько опасным окажется ваше путешествие. Чем больше размеры чёрной дыры, тем дальше от сингулярности находится горизонт событий, что повышает шансы на выживание при приближении к нему.

Сингулярность. Сингулярность — таинственное место в центре чёрной дыры и, пока что, никто не знает, что же там на самом деле. Проще говоря, это точка в пространстве-времени, через которую невозможно провести обычную геодезическую линию. В этой точке большинство законов физики перестают действовать, происходит искажение пространства-времени и разрыв его структуры. Таким образом, здесь физические законы теряют свою обычную логику.

Исследования подразумевают возможность использования сингулярности для перехода в другие миры. Предполагается, что с помощью пересечения сингулярности можно осуществить прыжок из одной области Вселенной в другую, образовав «туннель» между двумя частями пространства-времени. Это аналогично машине времени, которая не нарушает законов физики.

Такие прыжки через сингулярность вращающейся черной дыры позволили бы совершать путешествия во времени как в прошлое, так и в будущее.

Однако из-за того, что сингулярность находится за горизонтом событий черной дыры, всё это — несбыточная мечта. Горизонт событий служит барьером, который не позволяет непосредственно увидеть сингулярность.

Тем не менее, учёные создают модели, которые с разной степенью реалистичности позволяют исследовать это загадочное место и его свойства.

В связи с этим предполагается существование и белых дыр.

Белая дыра

Белая дыра — это гипотетический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Она является противоположностью черной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности. Однако, большинство физиков склоны считать, что на самом деле белых дыр нет.

Почему так? Гипотетически, такой объект должен продолжать расти и поглощать материю, но такое поведение противоречит известным физическим законам. Поэтому белые дыры считаются чрезвычайно неустойчивыми и неспособными существовать в долгосрочной перспективе.

В рамках полного решения Шварцшильда предполагается возможность существования как чёрных, так и белых дыр. Однако на данный момент считается, что шварцшильдовских белых дыр в реальности не существует.

Аналогично, полное решение Керра предусматривает наличие как чёрных, так и белых дыр. Белая дыра в рамках решения Керра (известного для чёрных дыр) образуется в одной вселенной в результате образования чёрной дыры в другой.

А вот израильские астрономы Алон Реттер и Шломо Хеллер считают, что аномальный гамма-всплеск GRB 060614, который произошел в 2006 году, мог быть связан с белой дырой.

Алон Реттер исследовал теорию, согласно которой белые дыры могут возникать, но затем немедленно распадаются, что приводит к явлению, аналогичному Большому Взрыву. Он и его коллеги назвали это явление «Малым Взрывом».

GRB 060614 не вписывается в существовавшую картину наблюдений. Длительность гамма-всплеска составила 102 секунды, рентгеновское послесвечение длилось более недели. Обычно же гамма-всплески делят на две категории: длинные (более двух секунд) и короткие.

Влияние чёрной дыры на космос

Интересны воздействия, которые оказывает гравитационное поле чёрной дыры на окружающий космос. Одним из таких эффектов является «дилатация времени» (вблизи чёрной дыры время течет медленнее).

Это удивительное явление было продемонстрировано астрономической обсерваторией — телескопом «Хаббл» (ещё можно «Интерстеллар» вспомнить).

Также чёрные дыры взаимодействуют с окружающими звёздами и газом. Если звезда или газовое облако приблизится к чёрной дыре, то их разорвёт мощной силой её гравитации. Сопровождается это яркими и потрясающими явлениями — такими как космические гамма-всплески и квазары.

Теории о чёрных дырах

Существует несколько теорий, которые пытаются объяснить чёрные дыры и их свойства. Одной из них является общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая представляет гравитацию как деформацию пространства-времени вблизи массивных объектов, таких как чёрные дыры.

Существует также теория «испарения» чёрных дыр, которую разработал английский физик Стивен Хокинг. Согласно этой концепции, чёрные дыры излучают небольшое количество энергии через квантовые эффекты, что со временем приводит к их «испарению». В научной среде это феноменальное предположение вызвало множество дискуссий. Более того, активные исследования в этой области ведутся до сих пор.

Кстати, именно поэтому невозможно создать на адронном коллайдере чёрную дыру, которая всех поглотит — она будет слишком маленькой и быстро «испарится».

«Свои» чёрные дыры есть ещё и в теории струн с ~~блэкджеком~~ формулами и уравнениями... но об этом как-нибудь в другой раз.

Вклад российских учёных в исследование чёрных дыр

Немалый вклад внесли и российские учёные: их исследования охватывают различные аспекты этой загадочной темы — от математических моделей до наблюдательных данных.

Наши астрофизики принимают активное участие в работе над теориями чёрных дыр, а также в интерпретации наблюдений космических объектов, которые могут быть с ними связаны.

Например, профессор Геннадий Сергеевич Бисноватый-Коган, который был одним из основателей современной российской астрофизики. Он совершил значительные открытия в области общей теории относительности и астрофизики (включая изучение сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик).

Стоит отметить и работу академика Николая Ивановича Шакуры. Он разработал теорию сверхновых и подробно исследовал процессы, приводящие к образованию чёрных дыр, а также их влияние на окружающие объекты.

Конечно, это далеко не полный список тех, кто изучал или изучает тайны чёрных дыр. Среди них и Сергей Борисович Попов, работавший над моделями аккреции чёрных дыр, и Рашид Алиевич Сюняев, специалист в области гравитационных линз, и Исаак Маркович Халатников, который внёс значительный вклад в теоретические исследования чёрных дыр, и многие другие.

А ещё был проект «Радиоастрон», руководил которыми легендарный астрофизик, академик Николай Семёнович Кардашёв. Проекту удалось добиться значительного прорыва в наблюдении чёрных дыр с помощью радиотелескопа.

Вас снимают!

Фотография чёрной дыры, сделанная в рамках проекта Event Horizon Telescope (EHT) — одно из значимых научных достижений в астрономии и космологии. Это первое изображение, которое позволило увидеть чёрную дыру в центре галактики Мессье 87 (M87) (находящейся на расстоянии около 55 миллионов световых лет от Земли). Фотография была представлена мировой общественности 10 апреля 2019 года.

Сама чёрная дыра, сфотографированная с помощью EHT, называется M87*, и это сверхмассивная чёрная дыра. Масса её составляет около 6,5 миллиарда масс Солнца.

Появилась эта фотография благодаря технологии интерферометрии. EHT объединил данные с восьми радиотелескопов, разбросанных по всему миру — так получился виртуальный телескоп размером с Землю. Это подарило учёным изображение с невероятно высоким разрешением и позволило наблюдать объекты в космосе с уникальной детализацией.

Мы уже говорили, что чёрная дыра сама по себе света не излучает свет. Другое дело её аккреционный диск, который как раз излучает его и тепло материи, попадающей за горизонт событий. Именно этот аккреционный диск удалось заснять с помощью EHT.

На фотографии видна яркая окружность с тёмным «теневым» центром. Это и есть аккреционный диск, который окружает M87*. Тёмный центр — это «тень» от самой чёрной дыры.

Тень возникает из-за сильного гравитационного искривления, которое приводит к тому, что свет из аккреционного диска, идущий к нам, испытывает дополнительное смещение, и часть его теряется в гравитационной ловушке чёрной дыры.

Учёные подчеркивают, что полученное изображение запечатлело не саму чёрную дыру, а ее «тень», которая оказалась примерно в 2,6 раза больше горизонта событий.

Существование её было предсказано общей теорией относительности. Полученное изображение полностью соответствовало этому предсказание.

Чуть позже, в мае 2022 года, показали долгожданное изображение центра нашей Галактики (для этого в первую очередь и нужен был проект EHT).

На изображении чётко видна тёмная область, окруженная яркой кольцеобразной структурой горячего светящегося газа. Это однозначно доказывает, что компактный и чрезвычайно массивный объект, известный как Стрелец A*, вокруг которого вращаются все звёзды Млечного Пути, действительно является чёрной дырой.

Поразительно, что хоть Стрелец A*размером приблизительно в тысячу раз меньше М87*, а Млечный Путь и Дева А представляют собой галактики разного типа, обнаруженные чёрные дыры оказались удивительно похожи, а значит, и общая теория относительности к ним одинаково применима.

Пока что многие аспекты чёрных дыр остаются загадкой, но человек стремится познать их тайны, чтобы расширить наше понимание Вселенной и её устройства.