Дыра дыре рознь

Дыры бывают разные: и на штанах, и в сыре, и в бублике, и даже в космосе. С дырами на одежде знакомы практически все. Их даже зашивать многие умеют. С дыркой от бублика тоже более-менее понятно: съел бублик, и нет от него дырки.

А вот с космическими чёрными дырами дело обстоит иначе. Это особенные дыры. И если говорят, что где-то в космосе появилась чёрная дыра, то это совсем не значит, что какая-то звёздочка прохудилась-протёрлась, и вот теперь в космосе есть звезда с отверстием.

Вообще, привычные ассоциации, которые возникают при слове «дыра», могут сбить с толку, если попытаемся понять, что же такое – «чёрная дыра». Поэтому давайте на время забудем об обычных дырах-отверстиях и разберёмся с вопросом:

Дыра в космосе: как это может быть?

Такой объект, как чёрная дыра, напрямую связан с законом всемирного тяготения и тем фактом, что скорость света – это предельная скорость движения для тела, имеющего массу.

Сначала о законе всемирного тяготения...

Знаменитый учёный Исаак Ньютон (1643-1727) много лет назад открыл закон всемирного тяготения. Легенда гласит, что в момент открытия он сидел под яблоней. По-видимому, дело было осенью, так как на мудрую учёную голову свалился спелый плод. В такой ситуации любой другой человек ограничился бы шишкой, а Исаак Ньютон, помимо обретения шишки, обогатил мировую науку новым законом. Он заметил, что все предметы притягиваются друг к другу. И звёзды к звёздам, и Земля к Солнцу, и даже наша правая рука притягивается к нашей левой ноге. Сила тяготения тем больше, чем больше массы притягивающихся предметов. Эту силу называют ещё силой гравитации.

...теперь о скорости света...

После великого открытия под яблоней прошло много лет. Наступил двадцатый век и другой тоже очень знаменитый учёный Альберт Эйнштейн (1879-1955) создал теорию относительности. Сама по себе теория достаточно непроста. Она требует не только хорошей математической подготовки – в ней есть такие моменты, которые невозможно понять, пользуясь повседневным жизненным опытом. Приходится в некоторые вещи просто поверить. Впрочем, в рамках данной статьи подробности нас не интересуют. Нам интересно очень важное следствие теории относительности: ни одно тело, имеющее массу, не может двигаться со скоростью света, а тем более «обогнать» фотон – частицу света. Скорость тела может быть очень близкой к скорости света, но разогнать тело до световой скорости невозможно – на это пришлось бы затратить бесконечную энергию.

...и вернёмся к чёрным дырам.

Именно из-за закона всемирного тяготения вся Вселенная существует в том виде, в котором мы привыкли о ней слышать. Именно этот закон «повинен» в том, что Луна вращается вокруг Земли, Земля – вокруг Солнца, Солнце – вокруг центра Галактики и т.д. И даже искусственные спутники, запущенные с Земли, вращаются вокруг неё благодаря закону всемирного тяготения.

Если нам захочется, чтобы космический аппарат оторвался от поверхности Земли и улетел в космос, то нам придётся разогнать его до второй космической скорости, которая для Земли равна 11 км/с.

Для Луны вторая космическая скорость меньше, так как масса Луны меньше массы Земли, и поэтому Луна слабее притягивает к себе разнообразные предметы. Поэтому и оторваться от Луны легче. И, наоборот, для более массивного тела (скажем, для Солнца) вторая космическая скорость больше.

А что же произойдёт, если масса какого-то космического тела будет настолько огромной, что вторая космическая скорость для него окажется больше… скорости света? Что же будет с предметом, который окажется рядом с таким гигантом?

До второй космической скорости этот предмет не разгонится (он ведь не может двигаться со скоростью, большей скорости света – таков вывод из теории относительности), а значит, не сможет и оторваться от гиганта. Более того, даже фотоны не в состоянии покинуть такого монстра, а значит, сам монстр будет… невидимым.

Собственно, поэтому и возникло название такого объекта – чёрная дыра.

Чёрные дыры были предсказаны немецким астрономом Карлом Шварцшильдом ещё в 1915 г. В своих расчётах учёный пользовался уравнениями общей теорией относительности, которую разработал Альберт Эйнштейн.

Благодаря особой роли скорости света в космосе, вокруг каждой чёрной дыры есть область пространства, попав в которую, ничто не может вырваться обратно. Радиус этой области называется гравитационным радиусом.

Всё, что приблизилось к чёрной дыре на расстояние, меньшее гравитационного радиуса, исчезает бесследно. То есть, чёрная дыра поглощает всё, что к ней приблизилось, и ничего не выпускает.

Как возникают чёрные дыры?

Предположим, что у нас есть колоссальный сферический пресс. Если с помощью такого пресса сжимать планету с такой же массой, как у нашей Земли, то когда радиус этой планеты уменьшится до 9 миллиметров, вторая космическая скорость для неё станет равна 300 000 км/с – скорости света. Тогда то, что получилось из планеты после сжатия, станет чёрной дырой с гравитационным радиусом 9 мм.

В природе роль сферического пресса играет гравитация. Поэтому чёрная дыра может образоваться из очень массивного объекта, гравитационное поле которого достаточно сильное.

Такие объекты в космосе есть – это массивные звёзды «в возрасте». Пока звезда молода, в ней очень интенсивно идут термоядерные реакции. Благодаря этим реакциям в недрах звезды постоянно поддерживается очень высокое давление, а гравитационные силы не дают ей разрушиться. Со временем ядерного топлива становится всё меньше, давление внутри звезды ослабевает, и силы гравитации всё сильнее сжимают звезду.

Что будет со звездой дальше, зависит от её массы. Если масса невелика (не больше трёх солнечных масс), то в результате сжатия звезда превратится в белый карлик или нейтронную звезду.

А если звезда очень массивная (больше трёх масс Солнца), то под действием сил гравитации она будет сжиматься, пока не превратится в чёрную дыру.

Есть ли дыры во Вселенной?

Теория относительности предсказывает, что в сильном гравитационном поле время идёт медленнее. В процессе формирования чёрной дыры из старой звезды, гравитационное поле возле «почти чёрной дыры» становится очень сильным, поэтому время вблизи формирующейся дыры течёт всё медленнее. Для самой звезды процесс превращения занимает доли секунды, а для земного наблюдателя он растягивается на бесконечное время.

Идут миллиарды лет, и старая звезда становится всё более и более похожа на чёрную дыру. В конце концов, формируется практически чёрная дыра. Вот эти-то почти полностью сформированные чёрные дыры и искали учёные в космосе. Но ведь чёрная дыра невидима, а, значит, её нужно искать по косвенным признакам.

Ещё в 1960-х гг. учёные рассчитали, что в двойной системе из чёрной дыры и звезды типа Солнца, вещество от звезды будет перетекать к чёрной дыре и образовывать облако в виде диска вокруг неё.

В очень мощном поле тяготения чёрной дыры частицы облака разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются друг с другом. Такой газ разогревается до сотен миллионов градусов и превращается в плазму. Плазменный диск испускает рентгеновское излучение, невидимое невооружённым глазом. Это излучение можно обнаружить с помощью рентгеновского телескопа.

Но атмосфера Земли непрозрачна для рентгеновских лучей, поэтому наблюдать рентгеновские источники можно только покинув пределы атмосферы. Такая возможность появилась в 1971 г., когда был запущен спутник «Ухуру» (что на одном из языков африканских народов значит «свобода»).

Этот спутник сканировал всё небо и обнаружил несколько сотен рентгеновских источников. С этого момента началась эра рентгеновской астрономии.

Однако обнаружить рентгеновский источник – ещё не значит обнаружить чёрную дыру. Помимо диска, светящегося в рентгеновском диапазоне, чёрная дыра должна иметь массу, большую, чем три солнечные массы и радиус, близкий к гравитационному радиусу.

Массу рентгеновского источника в двойной системе можно измерить по движению второй звезды. Наиболее типичные массы обнаруженных рентгеновских источников-кандидатов в чёрные дыры – десять солнечных масс.

Для такой массы гравитационный радиус равен 30 километрам. На расстоянии тысяч световых лет очень тяжело измерить величину в 30 километров. К 2018 г. планируется запустить космический рентгеновский интерферометр, и с его помощью можно будет измерять даже такие величины.

Однако измерений массы и гравитационного радиуса кандидата в чёрные дыры всё же будет недостаточно. Чтобы однозначно утверждать, что такой-то объект – это чёрная дыра, нужно обнаружить какое-то специфическое свойство, характерное именно для чёрной дыры. Это свойство и будет критерием отбора чёрной дыры.

На сегодняшний день такой критерий учёными ещё не разработан. Однако известно уже свыше ста объектов в космосе, которые по своим свойствам очень похожи на чёрные дыры. Таким образом, можно утверждать, что чёрные дыры практически открыты.

Сверхмассивные чёрные дыры

Есть ещё одна разновидность чёрных дыр – сверхмассивные чёрные дыры. Эти дыры предсказаны теоретически и наблюдаются в космосе. Для очень массивной дыры гравитационный радиус может достигать сорока астрономических единиц, а это уже размеры Солнечной системы.

Такая дыра – это не плотный объект, а газ со средней плотностью меньше плотности воздуха. Обнаружено уже около сотни сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик. Ядро нашей галактики – это тоже сверхмассивная чёрная дыра.

Учёным удалось даже измерить её массу – три миллиона (!) солнечных масс, а радиус – меньше двадцати гравитационных радиусов. Расстояние до этой чёрной дыры – двадцать четыре тысячи световых лет. Учёные склоняются к мысли, что практически каждая галактика имеет в своём ядре чёрную дыру.

Спокойствие! Только спокойствие!

Время от времени в газетах и журналах появляются сообщения о чёрных дырах, которые «вот-вот поглотят Солнце, Землю и Луну» в придачу. На самом деле нет оснований для беспокойства и, заодно, для подобных утверждений – на большом расстоянии чёрные дыры совершенно безопасны.

Ближайшая чёрная дыра звёздной массы находится от нас на расстоянии трёх тысяч световых лет, а ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра – двадцати четырех тысяч световых лет.

И.Ю. Осипова, журналист