Черная дыра: что это такое

Представьте себе место, где перестают работать все знакомые нам законы физики. Место, из которого ничто не может сбежать — даже свет. Это не сюжет для новой фантастической саги, а реально существующий космический объект, имя которому — черная дыра. 

Что такое черная дыра Фото: Marc Ward/Shutterstock/FOTODOM Границей черной дыры является так называемый горизонт событий — воображаемая линия, переступив через которую, обратной дороги уже нет

Черная дыра не испускает и не отражает свет, оставаясь идеально черной на фоне сияющих звезд. 

Сама идея объекта, обладающего столь сильной гравитацией, что он не отпускает от себя свет, впервые была высказана еще в 1784 году английским естествоиспытателем Джоном Мичеллом. Он рассчитал, что для тела с радиусом в 500 солнечных вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Позже, в 1796 году, идею развивал французский ученый Пьер-Симон Лаплас. Однако в те времена эти мысли остались лишь предположением, ведь природа света и гравитации еще не была до конца понята.

Рождение концепции черной дыры произошло в XX веке. В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел первое точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее подобный объект. Он ввел понятие радиуса Шварцшильда — границы, за которой начинается неотвратимое падение.

Изначально эти объекты называли «сколлапсировавшими звездами», «коллапсарами» или «застывшими звездами». Считается, что термин «черная дыра» впервые использовал американский физик Джон Арчибальд Уилер в публичной лекции 29 декабря 1967 года. По другой версии, это выражение предложила научная журналистка Энн Юинг. Название прижилось, так как показалось довольно точным: «черная» — потому что не излучает свет, «дыра» — потому что все, что в нее попадает, исчезает.

Фото: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) На этой иллюстрации художника изображена сверхмассивная черная дыра в центре галактики Млечный Путь, известная как Стрелец A* (звезда класса А)

Суть черной дыры — это гравитация, доведенная до абсолютного предела. Сила притяжения здесь настолько велика, что для того, чтобы отсюда выбраться, потребовалось бы развить скорость большую, чем скорость света. А это, согласно законам физики, невозможно.

Границей черной дыры является так называемый горизонт событий — воображаемая линия, переступив через которую, обратной дороги уже нет. Это точка невозврата в буквальном смысле. Любой объект — будь то космический корабль, астероид или квант света — будет безвозвратно поглощен. Чтобы осознать плотность черной дыры, достаточно представить, что всю нашу Землю сжали до размеров небольшого мраморного шарика. Именно такая невообразимая плотность и рождает ту самую силу тяготения, которая не отпускает даже свет.

Как образуется черная дыра Фото: VectorMine/Shutterstock/FOTODOM Принцип формирования черной дыры

Черные дыры возникают из звезд, чья масса как минимум в двадцать раз превышает массу Солнца. Жизнь такой звезды — это постоянная борьба ядерных реакций, раздувающих ее изнутри, и гравитации, которая норовит все это сжать в крошечную точку. Пока в ядре звезды идут термоядерные реакции, этот паритет сохраняется. Но рано или поздно все заканчивается. Сначала выгорает водород, затем гелий и более тяжелые элементы. Когда остается лишь железо, которое уже не может служить топливом для термоядерного синтеза, гравитация берет верх.

За считанные секунды ядро звезды, не встречая более сопротивления, обрушивается само на себя. Этот процесс называется гравитационным коллапсом. Он сопровождается чудовищным взрывом — вспышкой сверхновой, которая может на несколько недель затмить собой свечение целой галактики. А на месте былого гиганта остается лишь бесконечно сжимающаяся точка — новорожденная черная дыра. 

Какие бывают черные дыры Фото: NASA/Aurore Simonnet (Sonoma State Univ. На этой иллюстрации корона сверхмассивной черной дыры выглядит как бледные конические завихрения над аккреционным диском

Как и звезды или планеты, черные дыры бывают разными. Самые распространенные — это черные дыры звездной массы. Они разбросаны по всем галактикам, и в одном только Млечном Пути, по расчетам ученых, их могут быть десятки миллионов.

Есть сверхмассивные черные дыры, чей вес превышает массу Солнца в сотни тысяч и даже миллиарды раз. В центре нашего родного Млечного Пути притаился такой гигант — Стрелец А*. Его масса составляет около четырех миллионов солнечных, и он относительно спокоен. А вот его собрат в галактике М87, чье первое в истории изображение тени было получено в 2019 году, уже активно поглощает окружающую материю.

Как эти исполины успели вырасти до таких размеров за время жизни Вселенной — неизвестно. Возможно, они родились из колоссальных облаков газа, коллапсировавших сразу в сверхмассивный объект. Или же они стремительно росли, поглощая все вокруг себя в более раннюю эпоху космоса.

Что будет, если космонавт попадет в черную дыру Фото: Vadim Sadovski/Shutterstock/FOTODOM Выжить в черной дыре невозможно

Это маловероятно, так как ближайшая к нам черная дыра находится на расстоянии около 1600 световых лет от Земли. Однако ученые смоделировали возможный сценарий развития событий.

Еще на подлете к черной дыре космонавта встретили бы экстремальные условия. Черные дыры обычно окружены аккреционным диском — вращающимся вихрем из раскаленного газа и пыли, который разгоняется до околосветовых скоростей. Температура здесь во много раз превышает температуру Солнца. Космонавт был бы испепелен этим жаром или уничтожен мощнейшим рентгеновским и гамма-излучением еще до того, как приблизился бы к горизонту событий.

Если бы каким-то чудом корабль пережил первую фазу, его могло бы поджидать следующее препятствие — релятивистские струи. Это потоки плазмы, которые некоторые черные дыры выбрасывают от своих полюсов со скоростью, близкой к скорости света. Они могут извергаться непрерывно в течение десятков миллионов лет.

Но самое известное и жуткое последствие — спагеттификация. Это процесс, при котором чудовищная приливная сила черной дыры начинает неоднородно растягивать объект. То есть космонавта растянуло бы в длинную тонкую полоску, как спагетти. Причем процесс продолжался бы, пока тело не распалось на атомы.

Если бы космонавт каким-то образом пересек горизонт событий, для внешнего наблюдателя он бы навсегда застыл у этой границы, а его изображение растянулось и покраснело бы из-за гравитационного красного смещения. С точки зрения самого космонавта (если представить, что он до этого момента выжил), он бы пересек горизонт и продолжил падение к центру дыры, где законы физики перестают работать, а плотность становится бесконечной.

С точки зрения современных знаний, выжить при падении в черную дыру невозможно. Впрочем, как и попасть в нее.

Самые большие галактики во Вселенной — топ-8

Как образовалась Вселенная: 6 теорий, которые это объясняют

Как светятся звезды и почему их не видно днем