Черная дыра вместо лица: Астрофизики МГУ увидели, как черная дыра «открыла лицо»

Содержание

Что будет, если в Солнечной системе появится черная дыра?

Мысленные эксперименты — отличная штука. Мы можем представить, что будет, если исчезнет Луна, и подозреваем, что наши предки видели сверхмассивную черную дыру Млечного Пути. Догадываемся, что Луна не всегда была мертвой и холодной, а на Марсе когда-то текли реки и моря. Но мы находимся на окраине галактики, и черные дыры для нас почти что не существуют. Что, если бы одна из них образовалась в Солнечной системе? Возможно ли это в принципе?

В ночном небе начали происходить странные вещи. Вы, как и многие другие, активно следите за новостями. Выступает президент, его поддерживают астрофизики, геологи и климатологи. Он нервничает, но, отдавая дань традиции, делит новости на «плохие» и «хорошие». Хорошие новости: мы не умерли, планета не уничтожена, ее не унесло в космос и не раскрутило в гравитационном колесе. Плохие: нас ждут «весьма интересные перемены климата». Попытка выжить рядом с черной дырой похожа на бегство с «Титаника» — ради холодной смерти в океане.

Прежде, чем вы потянетесь за тревожным чемоданчиком или начнете сходить с ума: не бойтесь, это всего лишь мысленный эксперимент. Черные дыры представляют собой одно из самых страшных явлений во Вселенной. Их огромная тяжесть искривляет пространство и время — и наше понимание их природы — до предела, до одной точки. Сверхмассивные черные дыры (вроде этой) скрываются в ядрах галактик, поглощая миллионы, миллиарды звезд. Самое точное изображение черной дыры на сегодняшний день мы наблюдали в фильме «Интерстеллар». На деле же это явление во много раз страшнее.

Что будет, если недалеко от нашей Солнечной системы родится или обнаружится черная дыра?

Содержание

1 Привет из бездны
2 Искривляющие пространство и время
3 Время пришло
4 Хорошие и плохие новости
5 По ту сторону горизонта событий

Привет из бездны

Самое точное на данный момент изображение черной дыры

Разбираться придется по порядку. Насколько близко? Откуда? Какова масса?

Стоит сразу отметить, что наше Солнце никогда не станет черной дырой. Для этого нужна масса, порядком превосходящая солнечную — в 10-15 раз. Тогда случится гравитационный коллапс, и под действием силы тяжести материя буквально схлопнется в одну точку. Похожее явление лежит в основе водородных бомб и в теории холодного термоядерного синтеза, разве только гравитация играет другую роль. Более того, на роль потенциальных черных дыр не годятся и другие звезды в соседних галактиках. Большинство из них являются красными карликами и обладают массой в 8-60% нашего Солнца.

Остается два варианта: либо черная дыра спонтанно появляется в наших окрестностях, либо приходит непонятно откуда. Первое было бы возможно, если бы все страхи вокруг Большого адронного коллайдера приобрели смысл и черную дыру создали искусственным путем. Но нет, это невозможно.

Что касается второго, астрономы и астрофизики подтвердили существование около 2000 блуждающих черных дыр, но шансы того, что одна из них дойдет до нас, близятся к нулю. И как отметил писатель Дуглас Адамс:

«Космос велик. Вы просто не в состоянии осознать, насколько невероятно и умопомрачительно он велик. Я имею в виду, вам может показаться длинной дорога в аптеку, но по меркам космоса это семечки».

Впрочем, вероятность появления черной дыры — слишком интересное событие, чтобы проходить мимо.

Искривляющие пространство и время

Если посмотреть на черную дыру издалека, она будет похожа на любой другой массивный объект. Пока она прямо перед вами, она подчиняется законам классической механики и ньютоновому закону универсальной гравитации, который гласит, что притяжение между двумя объектами пропорционально их массе и уменьшается с увеличением дистанции. Другими словами, нет гравитационной разницы между R136a1, «голубым» карликом весом в 265 солнц и черной дырой с таким же весом.

Подойдите к черной дыре поближе, чтобы попасть в ее гравитационное поле, и вы столкнетесь с двумя разными наборами правил. С общей теорией относительности Эйнштейна, которая допускает существование черных дыр, искривляющих пространство и время, и экстремальной гравитацией, которая доводит это искривление до крайности.

Если вы хотите изучить черную дыру, не вылезая из космического корабля, вы обнаружите, что чем ближе вы к средоточию огромной массы, тем больше ваши двигатели будут надрываться, чтобы удержать вас на круговой орбите. Сначала небольшие импульсы ракеты смогут стабилизировать ее; но чем дальше, тем больше энергии вам придется тратить, дабы не сойти с орбиты. В итоге только безостановочная работа двигателей ракеты будет отделять вас от всепоглощающего ничто. Впрочем, в фильме «Интерстеллар» — и в этом заслуга Кристофера Нолана и Кипа Торна — эти эффекты были показаны на удивление прилично.

Как только у вас закончится топливо (или вы внезапно решите выключить двигатели), вы пересечете горизонт событий черной дыры, границу, из-за которой не может вернуться даже свет. После этого вам придется ответить за все свои грехи. Ничто не остановит неумолимое движение к сингулярности — ядру бесконечно сжатого пространства и времени, где физика, какой мы ее знаем, сворачивается в клубок и скулит.

По мере вашего продвижения время будет замедляться. Очень сильно. С вашей точки зрения ничего не изменится, но ваши друзья, наблюдающие за вашим трюком, увидят что-то вроде смазанных молний. Но только до горизонта событий — за его пределы не выходит свет, а значит, увидеть вас никто не сможет. Идеальное преступление, не так ли?

Гравитационное искривление времени — явление достаточно обыденное, но слишком слабое, чтобы его можно было заметить. На Земле, к примеру, прожив миллиард лет на уровне моря, вы будете на секунду моложе, чем ваш ровесник, проживший на вершине Эвереста. Говорят, время боится пирамид, но вам придется провести слишком много времени, прислонившись к ней щекой, чтобы ощутить замедление времени в Париже.

В черной дыре время крутится волчком. Когда мы говорим, что падения в сингулярность нельзя избежать, это означает не только неумолимое действие гравитации или искажение пространство. Время в черной дыре сжимается до такой степени, что путь в сингулярность буквально становится вашим будущим. Бегство от сингулярности будет похоже на попытку остановить время.

Что случится с нашей Солнечной системой, если она вдруг испытает на себе гнев черной дыры и попадет в ее водоворот?

Время пришло

Допустим, у нас есть черная дыра, которая заперта в двойной системе в обнимку со звездой, которая готовится стать сверхновой. Внезапно это происходит, гравитационный гигант выстреливает в нашем направлении на скорости десятков и сотен километров в секунду. Как мы об этом узнаем?

Ответ прост: не узнаем до тех пор, пока он не столкнется с чем-либо, поскольку массивная гравитация черных дыр не выпускает даже свет. А значит, вместо того чтобы пытаться найти черный перец на черном ковре, давайте рассмотрим несколько путей, которые помогут нам напрямую определить черную дыру.

Во-первых, материя, разорванная черной дырой, будет излучать радиацию по мере вращения диска аккреции. Пространство вокруг будет светиться, как новогодняя елка во мраке ночи.

Во-вторых, искажение пространства вокруг черных дыр можно обнаружить земными методами. Например, с помощью гравитационного линзирования, предсказанного в рамках общей теории относительности Эйнштейна. Эффект проявляется вблизи массивных объектов и фиксируется астрономами. Этот же способ используют для поиска темной материи.

Но даже в идеальных условиях обнаружить черную дыру таким образом будет сложнее, чем найти блох на пятнистой собаке ночью с помощью бинокля. С повязкой на глазу. Для успешного гравитационного линзирования черная дыра должна пройти между нами и звездой. И после этого нам еще должно повезти.

Кроме того, черная дыра может дать о себе знать, если будет взаимодействовать гравитационно с небесными объектами вроде планет, звезд, астероидов и комет, что снова подводит нас к ключевому вопросу: как близко будет располагаться наша гипотетическая черная дыра, угнездившаяся по соседству?

Конечно, чем ближе, тем опаснее. По мере приближения орбиты планет и лун будут танцевать танец, как воробей, попавшийся в паутину, волоча за собой кривые орбиты и нарушая порядок, который пытаются собрать по частям еще со времен Николая Коперника.

Здесь, на Земле, изменились бы приливы, отливы и цвет неба. Если гравитация, как по заказу Жириновского, отдалит орбиту планеты дальше от Солнца, приблизит ее, сделает более эллиптической, в лучшем случае мы будем страдать от перепадов температур и странностей с временами года. В худшем случае (кроме того, чтобы стать частью черной дыры) Земля может упасть на Солнце или отправиться в дальнее плавание в пучины космоса, обрекая нас всех на холодную смерть.

Известный астрофизик Нил де Грасс Тайсон однажды емко выразил проблемы, которые возникнут, если неподалеку заведется «черная гостья»:

«Если нас посетит черная дыра, у Солнечной системы будет плохой день».

Что ж, раз уж мы обречены, давайте соберемся с духом и нырнем навстречу сингулярности.

Хорошие и плохие новости

В русском языке есть слово из шести букв, которое лучше всего описало бы то, что нас ждет. Давайте назовем это просто безнадегой. Ученые научились делить на ноль, и мы оказались в черной дыре. Даже Брюс Уиллис с отважным экипажем нефтяников, прошедший особую подготовку в Челябинске, не спас бы нас.

Появись черная дыра в окрестностях Нептуна, мы бы сразу почувствовали это. Ученые знают орбиту Нептуна так хорошо, что могут обнаружить даже отклонение в 1 угловую секунду (единица угловой меры). Обычная черная дыра с массой в десять солнц, летящая на скорости 300 км/c, выдала бы себя еще на расстоянии в одну десятую светового года.

И вот вам последняя порция хороших новостей: черная дыра такого размера даст нам минимум 100 лет, чтобы закончить свои земные дела. Возможно, опасность такого масштаба прекратит все земные войны или начнет одну глобальную. Возможно, человечество успеет уничтожить себя самостоятельно, как только узнает, что через сто лет — всё, капут. Пока это неважно. Если же дыра будет двигаться медленнее, фатальное время ожидания увеличится в десять раз. И вот тогда времени на строительство ковчега или сборы планетарного чемодана с вещами должно хватить.

По мере подхода к Нептуну, черная смерть стягивает газовый гигант с орбиты. Планета начинает вести себя странно: по мере удаления от нас происходит красное смещение — длина волны ее радиации, включая свет, уходит в красный спектр. Как только Нептун оказывается за черной дырой, гравитационная линза натягивается на черную сферу и обтекает ее. Когда планета появляется снова, уже перед нами, ее цвета переживают синее смещение — длина волны уходит в этот конец спектра.

Красное и синее смещение, как правило, является следствием удаления или приближения звездного объекта по отношению к нам. Похоже на эффект Допплера.

Вместе с тем, как черная дыра «кушает» планету, газ будет закручиваться в гравитационную спираль, как сахар во время создания сладкой ваты. С нашей точки зрения спираль будет вечно уходить в горизонт событий. Но свет, испущенный гибелью Нептуна, отразится от черной дыры в негативе, как солнечная корона во время затмения.

Чем ближе черная дыра будет к Земле, тем больше будет проявляться окружающий ее эффект искажения, как в кривом зеркале. Все телескопы будут видеть только пустоту в центре черной дыры.

Если наша черная смерть будет сверхмассивной черной дырой, история уже закончится — ее горизонт событий будет в пять раз больше, чем Солнечная система. Но это скучно. Давайте возьмем пример поменьше и все же постараемся разглядеть нутро этого монстра.

По ту сторону горизонта событий

Мы движемся по кроличьей норе, зная, что ваше знакомство с ней будет очень коротким. Надеемся, что мы успеем хотя бы оценить внутренний интерьер черной дыры. К счастью для нас, но к несчастью для Солнечной системы, эта черная дыра — сверхмассивная. Мы изменили правила, но если бы мы этого не сделали, все бы уже закончилось по некоторым причинам.

В небольшой черной дыре — скажем, с массой в 30 солнц — приливные силы, вызванные увеличением тяжести, разорвали бы нас задолго до того, как мы достигли горизонта событий. Но там гравитация составляет где-то миллион земных. На то, чтобы насладиться победой — ведь мы достигли горизонта событий — у нас не будет и 0,0001 секунды.

В сверхмассивной черной дыре с массой в 5 миллионов солнц, вроде той, что расположена в центре нашей галактики, нас ждет совсем другой опыт. Любая черная дыра, вобравшая массу более 30 тысяч солнц, обладает приливными силами с гравитацией меньше одной земной на горизонте событий. У нас будет 16 секунд, чтобы осмотреться (и изменить правила игры), прежде чем мы достигнем точки сингулярности. Чем больше масса, тем больше времени.

Падение сквозь горизонт событий похоже на процесс засыпания или влюбленности: сложно определить точку отсчета, когда это произойдет, но после этого ваше чувство реальности будет совершенно иным. В черной дыре вы будете видеть звезды (свет попадает внутрь, но не наоборот), но пространство вокруг будет напоминать мыльный пузырь.

Ну а после того, как вас раздавит в ноль, вы попадете в точку бесконечной кривизны, где известному нам времени и пространству приходит конец. И узнать, как работает физика в этой точке бесконечной кривизны времени и пространства, бесконечной массы и плотности, у нас просто нет возможности. Иногда кажется, что сердце черной дыры откроет перед нами все секреты Вселенной или поднимет бесконечное число вопросов. Но это всего лишь догадки.

Ученые нашли огромную черную дыру, но засомневались в этом

Одни из самых загадочных объектов во Вселенной, черные дыры, регулярно привлекают к себе внимание. Мы знаем, что они сталкиваются, сливаются, меняют яркость, и даже испаряются. А еще, в теории, черные дыры могут связывать между собой Вселенные с помощью червоточин. Однако, все наши знания и предположения об этих массивных объектах могут оказаться неточными. Недавно в научном сообществе появились слухи о том, что ученые получили сигнал, исходящий от черной дыры, размер и масса которой настолько огромны, что ее существование физически невозможно.

Такой сверхмассивную черную дыру изобразили в фильме “Интерстеллар”

Сверхмассивные черные дыры

Черная дыра — это место в пространстве-времени, попав в которое на свободу ни один объект выбраться уже не сможет. Более того, даже фотоны света останутся там навсегда. Каждая черная дыра обладает большой массой и невероятным гравитационным притяжением. Настолько сильным, что то, что находится за горизонтом событий, навсегда останется для нас загадкой. Разрастаясь, черные дыры образуют ядра большинства галактик.

Сверхмассивными черными дырами принято считать объекты массой около 105 и выше масс Солнца. В галактике NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники расположилась самая тяжёлая сверхмассивная чёрная дыра из известных сегодня. Ее масса составляет около 21 млрд солнечных масс. Это самый настоящий космический монстр.

В центре изображения эллиптическая галактика NGC 4889 в созвездии Волосы Вероники

Отметим, что сверхмассивные черные дыры, превышающие массу нашего Солнца в миллионы и миллиарды раз, вращающиеся в центрах галактик, образовались в ранней Вселенной самыми разными и таинственными способами. Общепринятой теории образования чёрных дыр такой массы пока нет. Обсудить самые разные варианты возникновения этих космических монстров можно в нашем Telegram-чате.

Невероятный космический монстр

Ввиду отсутствия единой теории формирования сверхмассивных черных дыр, эти объекты остаются одной из главных загадок современности. Недавно физики, изучающие черные дыры, взволнованно обсуждали сообщения о том, что детекторы LIGO и Virgo, которые в 2017 году обнаружили гравитационные волны, недавно уловили сигнал, исходящий от неожиданно огромной черной дыры, масса которой считалась физически невозможной.

На фото лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория Ligo

Дело в том, что некоторые черные дыры образуются в результате взрыва сверхновых звезд. Это происходит в том случае, если масса сверхновой превышает 20 солнечных масс. Те сверхновые, чья масса превышает массу Солнца в 8 раз после взрыва превращаются в нейтронные звезды. Однако, когда ядро умирающей звезды очень тяжелое, оно гравитационно не разрушается в черную дыру. Вместо этого звезда подвергнется повторному взрыву, который полностью уничтожит ее за считанные секунды, ничего не оставив позади. Таким образом, наличие сверхмассивных черных дыр, вращающихся не в центрах галактик, масса которых превышает 130 солнечных масс считается невозможным.

Ученые основываются на исследовании 2002 года о взрывах сверхновых звезд с парной нестабильностью. Полученные в ходе исследования данные считаются окончательными. На нашем канале в Яндекс.Дзен вы можете узнать еще больше удивительных фактов о черных дырах и сверхновых звездах.

Тем временем: Впервые зафиксированы гравитационные волны от слияния черной дыры и нейтронной звезды

Однако, чтобы образовалась черная дыра превышающая 130 солнечных масс, должна была родиться и погибнуть звезда, массой более 300 солнц. Такие гиганты встречаются на просторах Вселенной крайне редко. По этой причине большинство экспертов предполагали, что черные дыры, обнаруженные LIGO и Virgo, должны достигать максимума примерно при 50 солнечных массах.

Но Карл Родригес из Массачусетского технологического института и Сурав Чаттерджи из Института фундаментальных исследований Тата в Мумбаи, делают ставку на то, что есть обходной путь для формирования черных дыр настолько больших размеров. В то время, как большинство сталкивающихся черных дыр, вероятно, возникли как пары изолированных звезд (двойные звездные системы широко распространены в космосе), Родригес и его коллеги утверждают, что часть обнаруженных столкновений происходит в плотных звездных системах, например, в шаровых скоплениях.

Черные дыры, вращающиеся неподалеку друг от друга, иногда сливаются в одну большую. Внутри шарового скопления черная дыра с массой 50 солнц может слиться, например, с дырой, чья масса составляет 30 солнц, и тогда получившийся гигант может снова слиться с ближайшей к нему черной дырой. Исследователи называют это «слиянием второго поколения». Сигнал исходящей именно от такого гиганта, считают исследователи, и зафиксировали LIGO и Virgo.

Правы ли ученые

Команда ученых LIGO и Virgo, как правило, быстро объявляет о каждом потенциальном событии, например, об обнаружении гравитационных волн. Ученые поступают так для того, чтобы их коллеги тоже начали работать в этом направлении.

Однако, на сегодняшний день никаких официальных заявлений от команды LIGO не поступало. При этом, представители LIGO планируют рассказать миру о предполагаемых размерах сталкивающихся объектов не позднее весны 2020 года. Если чёрная дыра слишком большого размера входит в число полученных командой данных, анализ также выявит, как быстро вращалась дыра и её спутник при столкновении. По мнению ученых, эта информация поможет понять историю происхождения хотя бы одного из столкнувшихся объектов.

Как думаете, существуют ли такие гиганты на просторах Вселенной?

Гравитационные волныДальний космосКосмосЧерные дыры

Для отправки комментария вы должны или

Астрофил: черная дыра из A-List получила лицо

Astrofile — наша еженедельная колонка, посвященная любопытным космическим объектам, от Солнечной системы до самых дальних уголков мультивселенной

Пространство

10 февраля 2012 г.

Дэвид Шига

Как настоящий ( Изображение: Декстер, МакКинни и Агол )

Тип объекта: Черная дыра
Местонахождение: Галактика M87, 50 миллионов световых лет от Земли

7 9000 красивая фотография очень образ жизни для человеческих знаменитостей. Не такие астрономические. Самая массивная из когда-либо измеренных черных дыр, которая находится в сердце галактики M87, в 50 миллионах световых лет от Земли, является самым близким к небесной шишке из всех известных нам объектов. Тем не менее, ни ее, ни любой другой черной дыры не удалось сфотографировать.

Это проблема не только фанатов, жаждущих пин-ап. Наблюдение за тенью черной дыры станет первым прямым доказательством того, что эти причудливые объекты действительно существуют. Более того, наблюдение за тем, как свет огибает края тени, также может выявить отклонения от общей теории относительности Эйнштейна, господствующей теории гравитации, которую некоторые физики хотят заменить.

Проблема не в том, что черные дыры невидимы: будучи большими поглотителями света, они должны казаться черным пятном на ярком фоне. Скорее, все известные черные дыры находятся слишком далеко, чтобы обычные телескопы могли разглядеть тень. Тем не менее, есть планы сделать снимок черной дыры с помощью радиотелескопов, расположенных далеко друг от друга на Земле, но вместе действующих как один огромный телескоп диаметром в тысячи километров.

Тем временем Джейсон Декстер из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги создали следующую лучшую вещь — самый реалистичный предварительный просмотр того, как выглядит черная дыра в центре M87. Помимо изображения лица этого объекта из списка А, их симуляции раскрывают детали, которые позволяют предположить, что увидеть черную дыру M87 на самом деле вполне возможно.

Размазанные струи

Команда смоделировала поведение материи и света вблизи черной дыры M87. В отличие от предыдущих попыток, их расчеты полностью учитывали общую теорию относительности и эффекты мощных магнитных полей вблизи черной дыры.

Они смоделировали вращающийся вокруг него диск из газа и пыли, а также мощную струю электрически заряженных частиц, вылетающую в космос из окрестностей черной дыры.

И диск, и струя излучают радиоволны. Но вместо того, чтобы двигаться по прямой линии, радиоволны изгибаются мощной гравитацией черной дыры, которая немного действует как линза.

Это радикально исказило бы внешний вид диска и струи на радиоизображениях, как обнаружили исследователи, размазав их, чтобы получился яркий полумесяц, окружающий темную тень черной дыры.

На реальном изображении существование этой тени явилось бы прямым свидетельством наличия горизонта событий, определяющей черты черной дыры. Как только свет или что-то еще проходит внутри этой границы, он уже не может выйти наружу.

Цель: M87

Моделирование предполагает, что тень черной дыры можно наблюдать с помощью телескопов, которые исследователи планируют подключить для этой цели. Исследователи пришли к такому выводу из расчетов размера тени и размера мельчайших деталей, различимых такими связанными телескопами.

Масса, которая недавно была увеличена до массы Солнца в 6,4 миллиарда раз, черная дыра M87 кажется идеальной фотографической мишенью, потому что ее тень должна выглядеть на небе относительно большой.

Хотя черная дыра в центре нашей собственной галактики кажется немного больше, потому что она намного ближе, положение M87 в небе означает, что ее легче наблюдать с помощью одних из лучших радиотелескопов. Его черная дыра вполне может быть первой, которую можно увидеть напрямую.

Эти изображения будут следующей лучшей вещью, чем реальное путешествие через горизонт событий в черную дыру — опыт, который был смоделирован, но навсегда останется в сфере научной фантастики.

Ссылка на журнал: Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества , DOI: 10.1111/j.1365-2966.2012.20409.x

Читать предыдущие колонки астрофилов: Планеты для пинбола становятся дикими, смертельно опасными, Представьте себя на доске для песка на Титане, Как обнаружить галактику темной материи, Взглянуть на неуловимую материю в раскалывающейся звезде, Классное эхо от самой большой звезды галактики, Остановившиеся часы углубляют загадки пульсара, Раненая галактика — суть космического детектива, Комета убивает искру Рождественское световое шоу?, Blinged Звезды родились богатыми, Сверхкритический водный мир кувыркается, Атака таинственных зеленых пузырей, Звезды-нежити снова восстают как сверхновые, Липкое звездное скопление, по большей части черная дыра.

Куда ведут черные дыры?

Куда ведут черные дыры?
(Изображение предоставлено журналом All About Space)

Итак, вы вот-вот прыгнете в черную дыру. Что может вас ждать, если вы, несмотря ни на что, каким-то образом выживете? Где бы вы оказались и какими дразнящими историями вы бы смогли насладиться, если бы вам удалось вернуться обратно?

Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, звучит так: «Кто знает?» Как научный сотрудник Королевского общества в Институте вычислительной космологии Даремского университета, Мэсси полностью осознает, что тайны черных дыр очень глубоки.

«Падение за горизонт событий — это буквально выход за пределы завесы — как только кто-то упадет за него, никто не сможет отправить сообщение в ответ», — сказал он. «Они были бы разорваны на куски огромной гравитацией, так что я сомневаюсь, что кто-то, кто провалился бы, смог бы куда-нибудь добраться».

Связанный: Тест «Черная дыра»: насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?

Если это звучит как разочаровывающий — и болезненный — ответ, то этого следовало ожидать. С тех пор, как считалось, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала черные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, было известно, что черные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя небольшой плотный остаток ядра. Если предположить, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация превзойдет его до такой степени, что оно упадет само на себя в единую точку или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро черной дыры.

Получившаяся в результате непригодная для жизни черная дыра будет иметь такое сильное гравитационное притяжение, что даже свет не сможет избежать ее. Итак, если вы окажетесь на горизонте событий — точке, в которой свет и материя могут проходить только внутрь, как это предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд, — спасения нет. По словам Мэсси, приливные силы разрежут ваше тело на нити атомов (или «спагеттификация», как это также известно), и объект в конечном итоге будет раздавлен сингулярностью. Идея о том, что вы можете выскочить где-нибудь — возможно, на другой стороне — кажется совершенно фантастической.

А червоточины?

Черные дыры — это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искривлять пространство и искажать время. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, автором SPACE.com)

В течение многих лет ученые изучали возможность того, что черные дыры могут быть червоточинами для других галактик. Они могут быть даже, как предполагают некоторые, путем в другую вселенную.

Такая идея витала в воздухе в течение некоторого времени: Эйнштейн объединился с Натаном Розеном, чтобы теоретизировать мосты, соединяющие две разные точки пространства-времени в 1935. Но в 1980-х годах она получила новое развитие, когда физик Кип Торн — один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна — поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически проходить сквозь них.

«Прочитав популярную книгу Кипа Торна о червоточинах, я впервые увлекся физикой в детстве, — сказал Мэсси. Но маловероятно, что червоточины существуют.

Действительно, Торн, давший свой экспертный совет съемочной группе голливудского фильма «Интерстеллар», писал: «Мы не видим в нашей Вселенной объектов, которые могли бы превратиться в червоточины с возрастом» в своей книге «Наука межзвездного» (The Science of Interstellar). В. В. Нортон и компания, 2014 г.). Торн сказал Space.com, что путешествия через эти теоретические туннели, скорее всего, останутся научной фантастикой, и, конечно же, нет убедительных доказательств того, что черная дыра может позволить такой проход.

Похожие: Самые странные черные дыры во Вселенной

Но проблема в том, что мы не можем подойти поближе, чтобы увидеть это своими глазами. Да ведь мы даже не можем сфотографировать что-либо, что происходит внутри черной дыры — если свет не может вырваться из-под их огромной гравитации, то камера ничего не может заснять. В нынешнем виде теория предполагает, что все, что выходит за горизонт событий, просто добавляется к черной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, кажется, что это происходит невероятно медленно, поэтому ответы не будут быстрыми. предстоящий.

«Я думаю, что стандартная версия состоит в том, что они ведут к концу времен», — сказал Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-космонавт падает в черную дыру. Они будут становиться все краснее и слабее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. место за пределами «навсегда». Что бы это ни значило».

Художественная концепция червоточины. Если червоточины существуют, они могут вести в другую вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны или что черная дыра может действовать как таковая. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Возможно, черная дыра ведет в белую

Конечно, если черные дыры ведут в другую часть галактики или в другую вселенную, должно быть что-то напротив них на другой стороне . Могла ли это быть белая дыра — теорию, выдвинутую русским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что черная дыра связана с белой дырой, существовавшей в прошлом. В отличие от черной дыры, белая дыра позволит свету и материи уйти, но свет и материя не смогут войти.

Ученые продолжают исследовать возможную связь между черными и белыми дырами. В своем исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D , физики Карло Ровелли и Хэл М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в черная дыра, а затем появляется из временной дыры». Другими словами, весь материал, проглоченный черными дырами, может быть выброшен наружу, и черные дыры могут стать белыми дырами, когда умрут.

Истории по теме

Коллапс черной дыры не только не уничтожит поглощаемую ею информацию, но и остановит ее. Вместо этого он испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если это так, то это пролило бы некоторый свет на предложение бывшего космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х исследовал возможность того, что черные дыры испускают частицы и излучение — тепловое тепло — в результате квантовых флуктуаций. .

— Хокинг сказал, что черная дыра не вечна, — сказал Финкбейнер. Хокинг подсчитал, что излучение заставит черную дыру терять энергию, сжиматься и исчезать, как описано в его статье 1976 года, опубликованной в Physical Review D. Учитывая его заявления о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать никакой информации. о том, что упало, черная дыра после взрыва сотрет массу информации.

Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, согласно которой информацию невозможно уничтожить. Физики утверждают, что информацию становится труднее найти, потому что, если она потеряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «информационному парадоксу черной дыры», который долгое время озадачивал ученых. Некоторые говорят, что Хокинг просто ошибался, а сам человек даже заявил, что допустил ошибку во время научной конференции в Дублине в 2004 г.

Итак, вернемся ли мы к концепции черных дыр, излучающих сохраненную информацию и выбрасывающих ее обратно через белую дыру? Может быть. В своем исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters , Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к черной дыре и обнаружили, что гравитация увеличивается в направлении ядро, но уменьшало и отбрасывало все, что входило в другую область вселенной. Результаты придали дополнительную достоверность идее о том, что черные дыры служат порталами. В этом исследовании сингулярности не существует, и поэтому она не образует непреодолимого барьера, который в конечном итоге сокрушает все, что встречает на своем пути. Это также означает, что информация не исчезает.

Возможно, черные дыры никуда не делись

Однако физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли все еще верили, что Хокинг мог что-то понять. Они работали над теорией, которая стала известна как брандмауэр AMPS или гипотеза брандмауэра черной дыры. По их расчетам, квантовая механика могла реально превратить горизонт событий в гигантскую стену огня, и все, что соприкоснется с ней, сгорит в одно мгновение. В этом смысле черные дыры никуда не ведут, потому что ничто не может проникнуть внутрь.

Однако это противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Кто-то, пересекающий горизонт событий, на самом деле не должен испытывать больших трудностей, потому что объект будет находиться в свободном падении и, исходя из принципа эквивалентности, этот объект — или человек — не будет испытывать экстремальных эффектов гравитации. Это могло бы следовать законам физики, присутствующим в других частях Вселенной, но даже если бы это не противоречило принципу Эйнштейна, это подорвало бы квантовую теорию поля или предположило бы, что информация может быть потеряна.

Художественное представление о приливном разрушении, которое происходит, когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. (Изображение предоставлено журналом All About Space)

Черная дыра неопределенности

Шаг вперед Хокинг еще раз. В 2014 году он опубликовал исследование , в котором отказался от существования горизонта событий — то есть там нечему гореть — заявив, что вместо этого гравитационный коллапс создаст «видимый горизонт».

Этот горизонт будет приостанавливать лучи света, пытающиеся удалиться от ядра черной дыры, и будет существовать в течение «периода времени». В его переосмыслении кажущиеся горизонты временно сохраняют материю и энергию, прежде чем растворяться и высвобождаться позже. Это объяснение лучше всего согласуется с квантовой теорией, согласно которой информация не может быть уничтожена, и, если оно когда-либо будет доказано, предполагает, что из черной дыры может вырваться что угодно.

Хокинг дошел до того, что сказал, что черные дыры могут даже не существовать. «Черные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — писал он. Не было бы сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда не достигало бы центра и не объединялось бы в плотной массе.

(Изображение предоставлено: Karl Tate, SPACE.com Contributor)

(открывается в новой вкладке)

И все же все, что излучается, не будет в форме проглоченной информации. Было бы невозможно понять, что вошло, глядя на то, что выходит, что само по себе вызывает проблемы — не в последнюю очередь, скажем, для человека, оказавшегося в таком тревожном положении. Они больше никогда не будут чувствовать себя так, как раньше!

Одно можно сказать наверняка, эта конкретная загадка поглотит еще много научных часов в течение долгого времени. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компонент темной материи может быть образован остатками испарившихся черных дыр, а статья Хокинга о черных дырах и «мягких волосах» была выпущена в 2018 году и описывает, как нулевая энергия частицы остаются вокруг точки невозврата, горизонта событий — идея, которая предполагает, что информация не теряется, а захватывается.

Это противоречит теореме об отсутствии волос, сформулированной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две черные дыры будут неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранится. Это идея, которая заставила ученых говорить, но есть некоторый путь, прежде чем она станет ответом на вопрос, куда ведут черные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в один из них.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о черных дырах из подробной статьи НАСА и узнать, как было получено первое изображение черной дыры. Если вы ищете контент для детей, у ESA есть несколько отличных ресурсов (открывается в новой вкладке) для обучения малышей всему, что касается черных дыр и Вселенной.

Библиография

За пределами Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр (открывается в новой вкладке)
Червоточины: типы и создание (открывается в новой вкладке)

(Изображение предоставлено журналом All About Space)