Охота на чёрную дыру
Чёрные дыры - это самые удивительные объекты, которые существуют в нашей Вселенной. Хотя слово «существуют» не очень правильное. Точнее будет сказать - мы предполагаем, что такие объекты во Вселенной есть. Тому есть много доказательств, но все эти доказательства косвенные. Прямых доказательств существования чёрных дыр пока нет.
Те свойства чёрных дыр, о которых мы знаем, получены только с помощью математических формул и, наверное, именно поэтому эти свойства настолько необычны, что голова может кругом пойти даже у самого талантливого писателя-фантаста или даже какого-нибудь волшебника из мира Гарри Поттера.
Вперёд, отважные дыронавты!
Давайте попробуем перенестись в далёкое (или не очень) будущее и представим себя отважными исследователями дальнего космоса - охотниками за чёрными дырами (чуть было не написал - «охотниками за привидениями»). Работа это опасная и очень сложная, потому что прежде всего чёрную дыру надо отыскать, а попробуй её отыщи!
Обычные звёзды искать легко и просто, потому что они: а) огромные и б) ярко светятся. Планеты меньше звёзд и сами по себе не светятся, но они отражают свет, благодаря чему отлично видны. С помощью отражённого света мы можем наблюдать даже такие совсем уж микроскопические (по космическим меркам) объекты, как астероиды или кометы. С чёрными дырами - совсем не так.
Первые сложности
Во-первых, чёрная дыра не испускает ни света, ни какого-либо другого излучения. Более того, она не может отражать свет, а потому и является на самом деле абсолютно, непробиваемо, запредельно чёрной - чернее, чем самая тёмная темнота в самом тёмном погребе.
Плюс к этому чёрные дыры обладают ещё и очень маленькими размерами! Например, чёрная дыра с массой в 3 раза тяжелее Солнца (или в миллион раз тяжелее Земли, что одно и то же) представляет собой шар диаметром меньше 20 километров! Её можно было бы легко уложить внутри Московской кольцевой автодороги. Обнаружить в бескрайнем космосе объект такого маленького размера, да еще и абсолютно чёрный, невозможно даже с помощью самого мощного телескопа. Более того, даже если в будущем будут построены огромные космические телескопы, то и они вряд ли смогут увидеть такой крохотный и тёмный объект.
Пробуем на ощупь?
Единственный способ «нащупать» чёрную дыру в космосе - это использовать её силу тяжести, гравитацию. Итак, представим себе, что спустя несколько месяцев бесплодных поисков гравиметрическая установка нашего звездолёта всё-таки зафиксировала что-то необычное: казалось бы, абсолютно пустой кусок космоса, но при этом обладающий мощным гравитационным полем, намного более мощным, чем, скажем, у нашего с вами Солнца.
Подобравшись чуть поближе, с помощью телескопа мы, наконец, увидели то, что искали, - висящий в пространстве абсолютно чёрный шар, размерами не больше обычного города на Земле, но по массе превосходящий Солнце в несколько раз! А когда внутри настолько небольшого объема концентрируется столь огромная масса, то свойства объекта оказываются настолько необычными, что даже у видавших виды академиков голова кругом идёт...
Вот она, красавица...
Прежде всего с помощью телескопа мы получили фотографию чёрной дыры на фоне окружающего её космического пространства. Вот такую вот:
«В чём дело? - спросите вы. - Почему вокруг чёрной дыры слабое белое сияние и почему изображения окружающих звёзд растянуты в странные линии и чёрточки?» А это первый сюрприз от гравитационного поля чёрной дыры - оно настолько сильное, что начинает искривлять лучи света.
На Земле мы с вами привыкли к тому, что луч света всегда прямой и не может быть кривым. Однако в окрестностях чёрной дыры ситуа-ция совсем другая. Если мы возьмём школьную линейку и поставим впереди неё чёрный мячик, то этот мячик закроет от нас какой-то кусок линейки, это нормально и естественно:
Однако если бы мы взяли вместо мячика чёрную дыру, то увидели бы совершенно другую картину - кусок линейки, который, казалось бы, закрыт от нас, прекрасно виден! Гравитационное поле чёрной дыры искривляет лучи света так, что они идут вокруг неё. Вот так:
Помнится, в одном из рассказов про барона Мюнхгаузена был описан охотник, удивительный взгляд которого мог «загибаться за угол». А вблизи чёрной дыры «загибаются за угол» абсолютно все световые лучи - и именно поэтому участок космоса вокруг неё выглядит как бы скрученным и вздутым, а изображения звёзд растягиваются в чёрточки.
Некоторые лучи света изгибаются в гравиполе чёрной дыры так сильно, что как бы отбрасываются назад, в том направлении, откуда они пришли. Из-за этого вокруг чёрной дыры возникает видимое слабое сияние, которое называется фотонной сферой.
Мы видим... ничто?
Ниже фотонной сферы мы видим идеально чёрный шар. Однако здесь нас ждёт очередной сюрприз: видимая нами чернота на самом деле... не существует!
Она совершенно нематериальна.
Это не газ, не жидкость, не твёрдая поверхность. Это вообще не вещество! То, что мы видим, это так называемый «горизонт событий»: внутри этой сферы гравитация чёрной дыры настолько велика, что даже свет не может вырваться оттуда наружу. Эта сфера - как бы видимая «тень» чёрной дыры. А вот сама чёрная дыра находится глубоко внутри, в центре, и её размеры равны... ничему!
Точнее, как говорят математики, они «бесконечно малы». Меньше метра, меньше сантиметра, меньше атома и даже меньше атомного ядра.
Если вы захотите спросить: «А как же такая огромная масса смогла уместиться в таком бесконечно малом объёме?», то я вам честно скажу - не знаю. И никто этого не знает. Математики скажут, что это «особая точка», физики скажут, что это «сингулярность», но как это может быть в реальности, этого (пока) не знает никто.
Давайте потрогаем...
Однако отставим в сторону эмоции и займёмся дальнейшими исследованиями нашей дыры. Отправим к ней сконструированный нами автоматический исследовательский зонд, вот такой вот:
Итак, наш зонд летит в направлении к чёрной дыре. Однако снова происходит что-то совершенно невероятное! Наш зонд, изготовленный из самого прочного металла, вдруг начинает... растягиваться!
Да-да-да, растягиваться, как растягивается брусок пластилина, который вырывают друг у друга два дошкольника в детском саду. И в результате с нашим зондом случается то же самое, что и с пластилином, - он разрывается на куски. Да уж, хорошо, что мы догадались отправить к чёрной дыре автоматический зонд, а не полетели к ней сами!
Что же произошло? Огромная гравитация чёрной дыры порождает немыслимой величины приливные силы. Приливные силы всегда есть там, где есть тяготение - например, тяготение Луны вызывает океанские приливы и отливы на Земле; однако, скажем, на нас с вами эта приливная сила действует невообразимо слабо.
Но окрестности чёрной дыры - совершенно другая штука: здесь приливные силы становятся просто немыслимыми, чудовищными. Никакой, даже самый твёрдый, материал не сможет противостоять этим силам - а уж тем более никакой живой организм.
А вдруг получится?
Вообразим, что у нас на борту есть второй автоматический зонд - сделанный из такого волшебного материала, которому не страшны никакие приливные силы. Такой зонд уж наверняка долетит хотя бы до горизонта событий, правда?
Однако здесь нас ждёт третий сюрприз от чёрной дыры. По мере того, как наш зонд приближается к чёрной дыре, с ним начинает происходить нечто фантастическое.
Во-первых, он начинает менять цвет - скажем, если зонд был покрашен в синий цвет, он становился бы зелёным, потом жёлтым, потом красным, а потом начал бы чернеть.
Во-вторых, наш зонд начинает сжиматься вдоль по направлению к чёрной дыре, как будто его что-то сдавливает:
А в-третьих, он начинает замедлять скорость: чем ближе он подбирается к горизонту событий, тем медленнее летит. В конце концов, наш зонд превратился бы в абсолютно чёрный невообразимо тонкий «блинчик», размазанный по поверхности и практически непо-движный.
В чём тут дело? Оказывается, в невероятно сильном гравитационном поле чёрной дыры начинают проявлять себя эффекты теории относительности - в том числе сокращение размеров, красное смещение (отсюда и смена цвета!) и замедление времени. Причём это замедление в конце концов становится бесконечно большим - и даже если мы будем наблюдать за нашим зондом сто, тысячу или даже миллион лет, мы никогда не увидим того момента, когда он пересечёт горизонт событий, то есть видимую границу чёрной дыры!
Билет в одну сторону
Но это ещё не самое удивительное! Если бы мы каким-то чудесным образом смогли оказаться внутри нашего зонда, то мы бы не увидели никакой перемены цвета - наш зонд как был бы синий, так и оставался бы синим! И мы не заметили бы никакого изменения размеров и не почувствовали бы никакого замедления! Для наблюдателя внутри зонда скорость бы ни капельки не изменялась, и он пересёк бы горизонт событий за какую-то долю секунды - и оказался уже внутри чёрной дыры!
Что он увидел бы там внутри - этого мы снова сказать не можем, и вот почему: такое мощное поле тяготения не выпускает наружу не только свет или радиоволны; оно не выпускает наружу никакую информацию. То есть если какой-то объект «провалится» под горизонт событий чёрной дыры, мы уже никогда и никаким образом не сможем узнать, что же с ним произошло.
Надо бы разобраться!
Наверняка вы скажете, что так не бывает, и даже книжка про Гарри Поттера и волшебников намного правдоподобнее.
Как один и тот же объект может бесконечно замедляться, но при этом двигаться с неизменной скоростью? Оставаться синим - но при этом становиться красным?
Как он может зависнуть во времени вблизи границы чёрной дыры - и в то же время пересечь её за долю секунды?
Как он может изменяться в размерах - но при этом не изменяться?
Однако очень многие свойства чёрных дыр, о которых мы знаем, описываются только математическими формулами, - а математические формулы во многих случаях противоречат и нашему здравому смыслу, и нашему жизненному
опыту.
Именно поэтому некоторые учёные до сих пор сомневаются в том, существуют ли чёрные дыры на самом деле. И даже если существуют - действительно ли у них такие необычные свойства или какие-то другие?
Споры учёных на эти темы длятся уже десятки лет. Может ли у чёрной дыры быть магнитное поле? Может ли чёрная дыра вращаться? Вспомните: у неё на самом деле нет размеров, чёрная дыра - это бесконечно малая точка, её горизонт событий - это только видимая снаружи «тень» от этой точки. А как может вращаться бесконечно малая точка?
Как видите, вопросов тут намного больше, чем ответов. Возможно, в будущем мы сможем узнать больше - однако до тех пор, пока мы не сможем полететь к чёрной дыре по-настоящему, все догадки учёных так и будут оставаться только догадками... И загадками.
* * *
Ещё можно почитать:
- Что такое теория относительности?
- Как на самом деле звали трёх мушкетёров?
- Какая сказка самая страшная?
- Чего людям не хватает для счастья?
Всё это журнал «Лучик» - для любознательных детей и родителей.
Статьи о литературе, математике, астрономии, истории, биологии, живописи. Задания и головоломки для совместного выполнения всей семьёй. Надеемся, вам понравится!
Полистать журналы можно здесь: https://www.lychik-school.ru/archive/
Подписаться на журнал: https://lychik-school.ru/subscribe-form/
Если захотите узнать больше:
Мы в Instagram, каждый день - новый интересный факт: https://www.instagram.com/lychik_magazine/
Мы в Facebook: https://www.facebook.com/lychik.school/
Мы «Вконтакте»: https://vk.com/public140584280
Мы в «Одноклассниках»: https://ok.ru/zhurnalluc