Что такое Черная дыра

Что такое Черная дыра
© NASA / © ИА «Версия-Саратов»

Вся прошлая неделя во многом была посвящена героине под названием «Черная дыра», а все потому, что впервые за всю историю наблюдений её удалось сфотографировать. Таким образом теоретический объект, в существовании которого, впрочем, никто и не сомневался, Черная дыра стала объектом подтвержденным. Хотя саратовцы, например, и раньше знали, что она существует и имеет четкие координаты — 51 градус северной широты, 46 градусов восточной долготы. И стоило так далеко искать дыру в космосе?! Шутка.

Конечно же, это не фотография, потому что сфотографировать можно только то, отчего отражаются электромагнитные волны, а Черная дыра ничего не отражает и ничего не излучает. Нельзя увидеть Черную дыру в черном космосе, особенно если она там есть. Нам показали, так скажем, силуэт Черной дыры на огромном фоне раскаленного газо-пылевого облака.

Если вы захотите что-то узнать про Черную дыру, то в 100 процентах случаев первое, что вам скажут или напишут: «Черная дыра — объект во Вселенной, сила притяжения которого настолько велика, что даже свет не может ее покинуть!» Примерно так. Звучит очень правдоподобно.

И конечно же, со школы мы все знаем, что сила притяжения объекта прямо зависит от его массы: чем больше масса, тем сильней объект притягивает к себе.

И есть такое понятие как вторая космическая скорость: то есть насколько нужно разогнаться телу, чтобы вырваться из силы притяжения объекта и покинуть его навсегда.

Для Земли вторая космическая скорость равна примерно 11 км в секунду. Если вам удастся разогнаться до такой отметки, то вы разомкнете объятия матушки-Земли и отправитесь в межпланетное пространство. Любая скорость ниже — или упадете на Землю, или будете летать спутником вокруг по орбите (первая космическая скорость около 8 км в секунду).

Для Солнца вторая космическая скорость равна около 620 км в секунду — если бы вы жили на Солнце и попытались его покинуть. Несложно понять, что чем массивнее объект, тем большую скорость нужно развить, чтобы с ним распрощаться.

Так вот объект становится Черной дырой в тот момент, когда вторая космическая скорость для него начинает составлять более 300 000 км в секунду, а это невозможно. Для тел, обладающих массой, невозможна и сама скорость света.

Граница в пространстве до того момента, пока Черная дыра не затащит свет в свое гравитационное поле называется горизонтом событий. То есть до горизонта событий луч света еще может пройти мимо Черной дыры, но если его путь пересекает горизонт, то возврата больше нет.

При этом не нужно думать, что Черная дыра как агрессивный зверь рыщет по космосу с мыслью кого бы схватить. Нет, она как зыбучие пески, топь или лучше водоворот — иди мимо, и она тебя не тронет, влез — до свидания, вернее, прощай!

Но почему и с помощью какой такой силы Черная дыра не собирается выпускать из своих объятий даже свет?

350 лет назад великий Ньютон сформулировал закон Всемирного тяготения. Он математически описал гравитационное взаимодействие двух тел в зависимости от их масс и расстояния, но понять природу гравитации не смог. И Ньютон решил: «Да черт с ним! Закон работает? Да. А большего и не надо! Притягиваются тела потому, что так им угодно и точка! Отвалите, господа!»

Кстати, примерно так же считал и греческий мыслитель Аристотель. Если его кто спрашивал, почему тела падают на Землю, то Аристотель отвечал, что под воздействием движущей силы тела просто стремятся вернуться на свое естественное место. А после Аристотель и его товарищ естественно шли пить вино. Кроме того, Аристотель думал, что чем тяжелей предметы, тем быстрей они падают. Уверен, что многие и сейчас так думают, а значит, они не глупее Аристотеля.

Таким образом, гравитация считалась «силой притяжения» на протяжении столетий, да и сейчас в школах ее так и проходят, потому что это удобно.

Но в начале 20 века гений по имени Альберт Эйнштейн долго думал и предложил свою теорию гравитации под названием «Общая теория относительности». Люди пугаются, заслышав эти слова, хотя ничего страшного в них нет.

Эйнштейн не стал тратить годы на бесплодные поиски некоей «силы», которая якобы лежит в основе гравитации. Он просто отбросил эту идею, и предположил, что гравитация является результатом искривления пространства-времени телами, обладающими массой.

Обычно теорию Эйнштейна иллюстрируют следующим образом: вообразите себе эластичную, натянутую ткань. И в её центр положили железный шар массой пусть в 1 кг. Мембрана продавилась, то есть искривилась. (рис. 1) Теперь рядом с шаром в 1 кг положим шар в 10 кг. Что случится? Правильно: меньший шар, попав в зону влияния большего, скатится к нему по искривленному пространству. (рис. 2) Больший шар также не останется на месте, он сдвинется по направлению к меньшему хоть это будет малозаметно.

1

2

А если рядом с ними положить шар весом в 100 кг, то и первый, и второй шары скатятся к нему. (рис. 3) Вот вам и природа гравитации! Только вместо эластичной ткани искривляется ткань пространства-времени.

3

Но мы знаем, что все тела в космосе движутся с определенными скоростями. Потому первый шар не скатится радиально ко второму. Первый будет двигаться кругами вокруг второго. Если его скорость достаточно высока, то он не упадет вовсе, а так и будет кружить, как Луна вокруг Земли. И если у второго шара тоже достаточная скорость, то оба они не упадут на третий шар, а также, став системой будут двигаться вокруг него. Как Земля-Луна вокруг Солнца. Массивные или очень плотные объекты, допустим, нейтронные звезды, искривляют пространство еще больше. (рис. 4) А следом за ними уже идут Черные дыры. (рис. 5)

4

5

Черные дыры могут быть сверхмассивными (несколько миллиардов масс Солнца) и гигантскими в диаметре, как фотография той, что мы получили — она больше Солнечной системы.

А могут быть в несколько сотен масс Солнца, и не такими гигантскими, но сверхплотными. И здесь идеально годится вполне земная аналогия с давлением и площадью опоры. Чем меньше площадь, тем больше давление при сохранении массы. Худенькая девушка в туфельках на шпильках пронзит нагретый асфальт, но если она наденет тапочки, то не оставит и следа.

Можно прибегнуть к старому опыту: эластичная ткань на которую водружен конус. Если основанием вниз, то ткань едва прогнется, а если перевернуть конус, то вся его масса сосредоточится на кончике, и он продавит ткань до пола. (рис. 7, 8) Или прорвёт. Вот примерно то же самое делает Черная дыра с пространством.

7

8

Однако важный момент: иллюстрация в виде эластичной ткани, каблучков, шаров и конусов — довольно условная. На примере двухмерного пространства (эластичной ткани) — это попытка схематически показать, как искривляется трехмерное пространство.

Двухмерное пространство под действием массы вытягивается «вниз» — в третье измерение, но при искривлении трехмерного пространства никакого «вниз» не существует.

И мы понятия не имеем, как выглядит искривление трехмерного пространства, никакого воображения не хватит, потому что мы сами трехмерные существа, погруженные в трехмерное пространство.

Как бы оно выглядело «снаружи» мы не можем предположить, либо понятие «вниз» будет существовать со всех сторон.

Но даже это не самое главное. А самое главное то, что когда мы рассматривали искривленную эластичную ткань, нас волновало изменение двух её координат — длины и ширины — в третьей координате — глубине.

Но при искривлении трехмерного пространства та же участь постигает и четвертое измерение — Время. Потому что Пространство и Время связаны друг с другом не-раз-рыв-но! О чем также первым догадался гений Эйнштейн.

И если искривляется, вытягивается Пространство, то же самое происходит и со Временем. Возьмите резиновый жгут. Разметьте на нем 60 делений, если лень, то просто напишите на нем: «1 минута». Теперь растяните жгут в руках — минута стала «длиннее».

Вот первый жгут — Время в условиях Земли. Минута длится столько. Второй жгут — Время в условиях какого-нибудь красного гиганта.

Это называется гравитационное замедление времени. Вовсе не значит, что попав в область красного гиганта вы станете двигаться, как в слоу-мо и разговаривать басом. Нет — вы не ощутите никаких изменений, но за одну вашу минуту на Земле пройдет, может, неделя.

Так что же случится с телом, попавшим в Черную дыру — объект, который искривляет пространство-время максимальным образом?

Ну, скажем, если вы попадете под горизонт событий небольшой сверхплотной Черной дыры, вам тут же и придет конец. Так называемые приливные силы гравитационного поля, которые будут действовать неравномерно вдоль тела (на ноги больше, на голову меньше) тут же вытянут вас в струнку, разорвут, уничтожат. Приливные силы действуют неравномерно и на Земле, когда вы стоите, но разница — ничтожна.

А вот если попадете в сверхмассивную Черную дыру, то она вас пощадит, и вы не умрете. Хоть и не вернетесь назад, конечно же.

Почему?! С точки зрения пространства можно опять прибегнуть к делам земным. Вот обрыв. Если у него крутой спуск, почти отвесный, то сорвавшись с края (горизонта событий) — убьешься. А если спуск пологий — скатишься, но останешься жив. (рис. 9, 10)

9

10

Но Черная дыра — это не только сверхрастянутое пространство, но и Время, как мы знаем. Поэтому, оказавшись в Черной дыре с «крутым» спуском произойдет невообразимый эффект: для ног замедление Времени будет стремительным, а для головы еще нет. Разница может составить сто, тысячу или миллион лет. А не может же быть такого, чтобы голова умчалась в будущее, а ноги остались в прошлом? Согласитесь, что так как-то сложновато жить. Да, при этом голова будет уверена, что она находится в настоящем. А ноги будут уверены, что именно они находятся в настоящем! И все будут правы с точки зрения каждого. Это называется относительность Времени в зависимости от системы отсчёта.

А в «пологой» Черной дыре приливные силы и разница в замедлении времени будет действовать на тело не так фатально, поэтому можно жить и наслаждаться бесконечным свободным падением.

Теперь понятно, почему тело, ушедшее под горизонт событий Черной дыры, никогда не вернется обратно?

Не потому, что его будут удерживать какие-то невообразимые силы, а потому, что Время для него будет постоянно растягиваться, замедляться. (рис. 6, 6_1) Когда пройдет минута на ваших часах, если она вообще пройдет, то с точки зрения внешнего наблюдателя, ваших друзей, оставшихся на корабле возле дыры, пролетят триллионы лет, а может, и больше, кто его знает?! И так вы будете двигаться «вниз» и «вниз», то есть Время будет ещё и ещё замедляться, пока не достигните центра Черной дыры под названием сингулярность.

6

6_1

Сингулярность — такое загадочное понятие, у которого есть масса разъяснений. В нашем случае хорошо подходит «Нет событий».

Может быть, сингулярность разрывает ткань пространства-времени и мы попадем в пятое измерение, откуда увидим предыдущие четыре во всем их развернутом многообразии. А может быть, сингулярность — шлюз в параллельную Вселенную. А почему нет?! Допустим мы попадаем в сингулярность, место под названием «Нет событий» и проводим там какое-то Время, которого там гм… нет. Мы отсиживаемся на дне времени микросекунду, которая там не проходит, а во внешней Вселенной проходит гугол лет, она разрушается, гибнет, всё исчезает, потом возрождается, формируются звезды, планеты, возникает Земля, помирают динозавры, появляются люди, строится Саратов, наступает 2019 год, апрель.

И тут мы выбираемся из сингулярности, и по нашим часам не прошло и миллисекунды. И нам действительно будет казаться, что мы попали в параллельную Вселенную!

Все такое же, только немного по-другому. Россия входит в тройку экономик мира, Саратов — чудесный, процветающий город-миллионник на Волге, центр туризма. С великолепными дорогами, зданиями, небоскребами, скоростным трамваем и международной сетью гостиниц. Ну, а кем будут работать нынешние представители власти — это уж сами додумывайте.

Так что наш новый и прекрасный Саратов — он там, вот на той самой фотографии Черной дыры, разглядывайте!

Попробуйте новый лингвистический поиск: ищите новости по датам и ключевым словам. Узнайте, в каких еще сюжетах пересекаются Россия и НАСА.
Смотреть