Черные дыры. Астрономия для чайников



В предыдущем рассказе мы познакомились с таким понятием, как вселенная. Позже мы рассмотрим ее эволюцию, какие этапы жизни она прошла, согласно нашим представлениям. Из чего она состоит, как движется, что ее ждет впереди? 

В дальнейших статьях, мы перейдем к окружающему нас, привычному космосу. Познакомимся с планетами, перейдем к звездам, к системам, которые они удерживаю вокруг себя. Далее, увеличивая масштаб, посмотрим на созвездия. Поймем, что же это такое? Элемент строения звездных систем или нечто другое? Все же знают и видели на небе Большую медведицу? А что она представляет собой на самом деле, узнаем позже. Следом нас ждут галактики, и мы снова вернемся ко вселенной. Изучим ее более подробно.

Прежде чем мы покинем такой гигантский мир и перейдем к такой маленькой величине, как Солнечная система, я хочу обратить ваше внимание на очень интересное явление. Которое стирает все наше «вещественное» представление о мироздании и кардинально меняет понятие пространства и времени.

Если понимание процессов, протекающих в ней не укладывается в наш привычный кругозор, то это не значит, что это нарушает некие физические законы. Как раз, наоборот. Само существование черных дыр логически вытекает из знаменитой Теории относительности. Вернее, так: «если их не существует, то наша основная теория не точна».

Астрономы вычисляют черные дыры во вселенной достаточно легко, считается, что она, как тело находится в центре, практически, каждой галактики. В том числе и нашей. Забегая вперед, напомню, что она зовется «Млечный путь». Но астрономы не любят это название, предпочитают обозначать ее как просто Галактика, с большой буквы.




Так что же это такое – черная дыра? Это сверхмассивное тело, сжатое собственными гравитационными силами до, сравнительно, небольших размеров. А чем больше масса, тем большее притяжение оно создает. Обладая такой колоссальной гравитацией, оно притягивает к себе все, что попадает в поле действия ее гравитационного радиуса. Как магнит, чрезвычайной силы, к которому прилипают все пролетающие железные опилки. Только гравитация имеет несколько другую природу, она воздействует на все, начиная от материи, заканчивая светом.

Почему, собственно говоря, «черная»? По нашей традиции, черным мы называем все плохое. Мы привыкли, что то что, мы не видим, таит в себе опасности, реальные или придуманные нашим незнанием. В астрономии черным или темным называется то, что еще не изучено, то на что еще «не пролился свет знаний». То есть, в слове «черный» нет негативной окраски. Позже мы заметим еще много «черных» терминов.

Как образуется черная дыра? Есть несколько теорий. По одной из них, они появились сразу после Большого взрыва. Их принято называть «первоначальные». В очень общем понимании, черная дыра образуется при коллапсе очень тяжелых звезд. Это один из этапов ее жизни. Когда термоядерные реакции внутри звезды заканчиваются, она остывает, а так как это сверхмассивное тело, то оно начинает сжиматься. «Бесконечно» сжимаясь и наращивая свою плотность звезда приходит к тому состоянию, что при небольших размерах обладает чудовищной гравитацией. 

Представьте себе объект размером всего несколько километров и массой в пять наших Солнц. Естественно, такой объект не может пропустить мимо себя ничего, и притягивает все, что «плохо» пролетает мимо. А притягивая извне, черная дыра постоянно наращивает свою массу. Для примера, масса объекта, который, по расчетам, находится в центре нашей Галактики, составляет больше 4 миллионов солнечных масс. Этот тело называется черная дыра Стрелец А*.

Модель Гравитационной линзы. Заметно, как черная дыра искажает изображение галактики. Автор Urbane Legend

Видели ли мы черную дыру? Нет, это невозможно. А откуда мы знаем, что на там? Во-первых, она имеет сильное излучение в рентгеновском диапазоне, которое можно зафиксировать. Во-вторых, мы умеем с большой точностью рассчитывать движение объектов. А такой массивный объект с такой чудовищной гравитацией отклоняет и искажает орбиты звезд. Из этой «погрешности» мы и можем вычислить какой массы должно быть тело, коль оно имеет такое влияние на свое окружение. Образуются так называемые «гравитационные линзы». 

Что происходит в черной дыре? Мы не знаем. Причина очень проста, сложно даже предположить, как ведет себя материя (любого знака) в таких условиях. И остается ли она материей? Мы можем представить, как ведут себя привычные нам сущности рядом с черной дырой. Причем, с большой долей вероятности.

Одна из самых занимательных теорий, это поведение света рядом с ней. Такая чудовищная гравитация приводит к тому, что Первая космическая скорость для этого объекта равна скорости света. Помните, что такое Первая космическая? Это скорость, при которой тело будет вращаться вокруг объекта и не упадет на его поверхность. Что это значит? А только то, что даже свет не может противостоять такой гравитации и вращается вокруг черной дыры. Образуется Горизонт событий. 

Как это выглядит? Если бы мы отправили в черную дыру, допустим, космический корабль, а сами уселись наблюдать за ним со стороны, что бы мы увидели? Конечно, это ситуация невозможна в принципе, но пофантазировать то мы можем? Наш корабль захвачен гравитацией черной дыры, и с огромной скоростью начитает на нее падать. Эта скорость все растет, ведь сила притяжения тем выше, чем меньше расстояние. И вдруг наш корабль замедляется, и мы видим, что меняются его размеры, он вытягивается в длину, сжимается по бокам и, продолжая удлиняться, замедляет свою скорость. Потом вообще останавливается.

Почему? Просто он достигает Горизонта событий. Помните, свет вращается вокруг черной дыры, он не может вырваться. И мы никогда не увидим, как наш корабль упадет в черную дыру. Не забывайте, что чем ближе к скорости света, тем сильнее искривляется пространство и время. То, что на корабле секунда для нас, наблюдателей, может быть годами, а то и больше.




А что бы мы увидели внутри корабля?  Ничего особенного. В один прекрасный момент мы бы пересекли горизонт событий, не заметили этого, и упали в черную дыру до полного схлопывания по размерам. Конечно, ни одно живое существо этого не сможет пережить и погибнет гораздо раньше. А сторонний наблюдатель этого не увидит, помните, ведь даже свет не способен вырваться из такого притяжения.

Вот такой интересный объект, вернее явление находится рядом с нами. И не рядом, и не находится, и не явление. Потому, что мы об этом ничего не знаем. Можем только высчитать и построить теорию. Конечно, в этом рассказе многое упрощено, ученые меня бы поставили в угол. Но я бы не обиделся, а показал им язык: «Бе-бе-бе! Сами вы, ничего не знаете!»

В этой статье использованы изображения из фантастического фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» (Legendary Pictures). Пожалуй самое достоверное представление о черной дыре показано в нем. Ученые это подтверждают.