Черная дыра

Моделирование черных дыр

Исследование пришлось как нельзя кстати: в марте обсерватория LIGO вновь приступит к работе после закрытия в 2020 году из-за пандемии COVID-19. Ожидается, что в ближайшие годы сбором данных займутся несколько крупных детекторов гравитационных волн, а наличие улучшенных компьютерных моделей может привести к новым открытиям.

Улучшенные компьютерные модели позволяют оценить пространственно-временную структуру черных дыр и их содержимое, так как «прислушиваются» к звуку, исходящему от столкновения и слияния этих космических монстров. Ожидается, что в будущем эти модели помогут составить карту внутренней структуры черных дыр и того, что происходит с оказавшейся там материей.

В модели используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными дырами при столкновении.

Нелейные взаимодействия можно сравнить с встряхиванием коробки и издаваемом в результате звуком, который позволяет узнать о ее содержимом. В данном случае тряска – столкновение двух черных дыр, а звук – издаваемые в процессе гравитационные волны. Результат, как ожидают специалисты, позволит обнаружить еще больше космических катастроф в самых отдаленных уголках Вселенной.

Дальнейшая работа над улучшением компьютерных моделей – это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения гравитационных волн и изучению самой главной (и загадочной) силы природы – гравитации и ее поведения на просторах бесконечной Вселенной. Но компьютерное моделирование – лишь малая часть этой колоссальной работы.

Что такое черная дыра

Черные дыры по сути своей самые простые объекты, если рассматривать их данные. У них отмечается только масса и скорость вращения. Астрофизики предполагают, что дыра – это результат взрыва звезды, центр ее превращается в черную дыру. Образуется новое космическое тело, физическая оболочка которого полностью отсутствует.

Черную дыру можно называть неким пространством, где заканчивают свое существование все силы притяжения. При пересечении света или других объектов с черной дырой, черная дыра полностью в себя их поглощает, не давая выбраться ничему. Такой эффект происходит из-за сильного магнитного поля, образующегося вокруг дыры.

Почему черные дыры так называются

Сначала такие непонятные явления называли коллапсарами. Впервые термин «черная дыра» начали употреблять журналисты в XX веке.  Джон Уиллер стал использовать его на официальном научном уровне, так как название точно отражало природу возникновения и проявления этого малоизученного объекта. Черные дыры полностью поглощают свет.

Такой объект увидеть возможно, если вокруг горизонта дыры будет находится газ, либо будет происходить процесс поглощения другой звезды.

Существует теория, что эта черная материя испускает энергию или частицы не уловимые человеческим глазом и приборами. Но доказано, что материя испускает колоссальное количество фотонов, что напоминает процесс испарения воды. Полного научного объяснения этот процесс еще не нашел. Такое явление называют излучением Хокинга.

Нередко случается, когда дыры сталкиваются друг с другом. От их переменного столкновения происходят ощутимые гравитационные волны.

Как выглядит черная дыра в космосе

Сама по себе черная дыра напоминает размытый оранжевый круг, в середине которого беспросветная тьма от самой черной дыры. Разглядеть дыру на звездном небе невозможно, так как ее гравитационные силы поглощают весь свет, находящийся рядом.

Как одна из составляющих этой материи – аккреционные диски. Их может быть от одного и до бесконечности. В состав этих дисков входят частицы пыли, метеоритов, газа и др. Все диски радиационно активны.

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.

Как визуализировали данные интерферометра

Ученые, которые занимались исследованием черной дыры, разработали разные способы восстановления ее изображения. Для проверки правильности своего результата они также придумали следующее: разделили команду внутри коллаборации «Телескопа горизонта событий» на несколько групп, которые восстанавливали изображение по полученным измерениям втайне друг от друга — разными методами и с запретом на общение между группами. Когда работа была закончена, все ученые встретились и сравнили результаты. Они увидели, что все изображения совпали с точностью выше 90%, поэтому уверенность в том, что изображения восстановлены правильно и корректно, не эмпирическая, а вполне реальная.

Почему ученые считают, что на «фото» — черная дыра? Из измерений размера тени можно оценить массу черный дыры в изучаемой галактике . Это одна из самых активных близких к нам галактик с ярко излучающим центром. Масса оказалась равна примерно 6 миллиардам масс Солнца, что совпало с независимыми оценками, которые были сделаны в течение последних 10–20 лет с помощью совсем других методов. То есть размер тени оказался строго таким, как и ожидалось. По большому счету это является, наверное, основным аргументом в пользу того, что темное пятно с ореолом — это именно тень черной дыры.

Однако интересных для нас параметров черной дыры — например, с какой скоростью она вращается или каковы характеристики диска вокруг нее, который «скармливает» в дыру пыль и газ — получить пока не удается.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.

Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.

Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.

Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.

Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование  Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.

Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.

Как появляются черные дыры

Зарождение таких объектов black holes находится в прямой пропорциональности от веса. Здесь их можно поделить на околосолнечные (вес равен нескольким светилам) и массивно-масштабные (габариты в миллионы раз больше). Чем она тяжелее, тем шире горизонт событий.

Самые старшие – околосолнечные, они зародились на заре появления во Вселенной. Изначально габариты черной дыры превышали Солнце в 25-70 раз, когда сокращение остановилось, произошел взрыв, центр стал черной дырой. Превышение Солнца в миллионы раз создается за счет огромных газовых туманностей, их масса формирует мегабольшую дыру. Пример – Стрелец А*, что в 26 св. лет от нашей системы. Этот объект пребывает в центре. Если поглощение одностороннее, то вся масса вращается в одном направлении.

Как обнаружить черную дыру

Вычисляют черные дыры в основном на основе математических методов. В основном это теоретические суждения, базируются они на сложных вычислениях. Но есть координаты, которые позволяют зафиксировать определенный уровень космического излучения или отсутствия сигналов, что дает основания предположить наличие подобных поглощающих объектов.

Как умирают черные дыры

Для исчезновения необходима потеря всей массы, но ничто не может выйти из-за пределов после пересечения границы. Дыра может излучать виртуальные частицы в виде туннельного эффекта – они попарно рождаются и аннигилируются, не контактируя с миром. Если они появятся на горизонте, то мощная гравитация их способна разделить. Одна упадет внутрь, другая начнет двигаться в противоположном направлении, будет наблюдаема, имеет положительный заряд. И дыра начнет терять свою энергию, начнется эффект испарения.

Постепенно с сокращением массы излучение частиц черной дыры станет интенсивнее. На финальной стадии размер сократится до квантовой формы, выделится колоссальное количество излучения, равное миллиону атомных бомб. Такие дыры могли появиться в ходе Большого взрыва, и масса в 1012 кг могла бы испаряться до наших дней. Но сам факт взрыва черных дыр земными средствами наблюдения не фиксируется.

Как обнаружить черную дыру

В конце своей жизни массивные звезды могут превращаться в черные дыры. И на этапе, когда только пытались найти первые черные дыры, возник вопрос: как их можно обнаружить. Первая идея была такой: звезды, особенно массивные, нередко рождаются парами. Одна из таких звезд превращается в черную дыру, и мы перестаем ее видеть. При этом она продолжает существовать. Предполагалось, что мы сможем увидеть вращение соседней звезды вокруг этого невидимого объекта, при помощи вычислений измерить его массу и обнаружить, что в этом месте находится черная дыра.

Сергей Попов рассказывает, что исторически это был первый предложенный способ поиска. С 60-х годов ученые пытались искать их по такому методу, но ничего не обнаружили. Последние пару лет стали появляться возможные кандидаты на звание черных дыр, но ученые пока не уверены, что в паре с обычными звездами находятся именно они.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Если опять обратиться к черной дыре, которая соседствует со звездой, то вещество с обычной звезды может перетекать в дыру. Черная дыра своей гравитацией будет засасывать это вещество. Если представить, что в нее одновременно кинули два камня, они могут столкнуться над горизонтом на скорости почти равной скорости света. При таком столкновении выделится много энергии, которую можно заметить.

Но в звездах не камни, а газ. Когда разные слои газа трутся друг о друга, они нагреваются до миллионов градусов, и это тепло можно увидеть. С помощью такого способа в конце 60-х — начале 70-х годов, когда стали запускать первые рентгеновские детекторы в космос, открыли и первые черные дыры.

Визуализация черной дыры рядом со звездой

(Фото: NASA)

В начале 60-х годов стало ясно, что есть яркие астрономические объекты — квазары. Дословно— «похожий на звезду радиоисточник». Это активные ядра галактик на начальном этапе развития, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Обнаружить их можно даже на очень отдаленных расстояниях. В ходе изучения квазаров стало ясно, что это небольшой источник, который находится в центре далекой галактики и при этом испускает много энергии. Попов рассказывает, что когда ученые открывают квазар, они уверены, что там «сидит» сверхмассивная черная дыра. Сейчас это самый массовый способ открытия черных дыр.

Визуализация квазара

(Фото: NASA)

Почти все массивные звезды превращаются в черные дыры, но не все они находятся в двойных системах, или у них нет перетекания. В таком случае дыры ищут другим способом. Сергей рассказывает, что черная дыра сильно искажает пространство-время вокруг себя, но тут важна не столько масса, сколько компактность. Понять это легко, достаточно представить острый предмет. Это предмет с очень маленькой площадью. Если просто ткнуть куда-то пальцем, нельзя проткнуть поверхность, а если с такой же силой надавить на иголку, то проткнется палец, которым на нее давят. Так вот маленькие объекты при той же массе сильнее искривляют пространство-время вокруг себя. Такой эффект называется гравитационным линзированием.

Индустрия 4.0

Как полететь на Луну: самые популярные поисковые запросы на тему космоса

Ученые наблюдают за звездой и вдруг замечают, что ее блеск растет, а потом совершенно симметрично спадает обратно. Со звездой ничего не произошло, но между нами и звездой пролетел массивный объект. И этот массивный объект, искажая пространство-время, собрал световые лучи.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Поэтому кажется, будто возрастает светимость звезды, а на самом деле просто больше ее света было собрано и попало к нам. Звезда с массой десять масс Солнца светила бы очень заметно, ученые бы ее не пропустили. А в таких наблюдениях появляется абсолютно темный объект с массой примерно десять солнечных. Что это может быть? Только черная дыра.

Если есть пара черных дыр, то, сливаясь, они будут порождать гравитационно-волновой всплеск. И в 2015 году впервые были обнаружены такие всплески гравитационного излучения. Это последний на сегодняшний день хороший способ поиска черных дыр.

Визуализация двух черных дыр

(Фото: NASA)

Методы наблюдений

Современная наука разрабатывает разные технологии для исследований Вселенной:

1. Оптические наземные телескопы. Одно из первых изобретений человечества, для наблюдения звёзд. Такими можно увидеть только видимый спектр излучений. Работают они только ночью и в безоблачную погоду. Кроме того, для качественного наблюдения, телескоп должен находиться вдали от городских огней, чтобы избежать засветки атмосферы и увеличить видимость звёзд.
2. Электронные наземные телескопы. Более технологичный аналог первых телескопов. Фиксирует широкий спектр излучений. Такие телескопы могут работать днём. Они очень больших размеров и потребляют много электроэнергии.
3. Орбитальные телескопы. Такие, как «Хаббл». Расположение телескопа на орбите позволяет существенно увеличить его чувствительность ко всем типа регистрируемых излучений. Управляются такие станции с Земли из центра управления полётами. Самые лучшие фотографии туманностей и далёких звёздных скоплений получены именно такими телескопами. Выведение этих станций на орбиту – дорогое удовольствие, но это окупается полученной информацией.
4. Автоматические межпланетные зонды. Уровень развития робототехники сегодня, позволяет отправлять на исследовательские миссии беспилотные космические корабли. Они измеряют разные спектры излучений, берут пробы грунта, фотографируют. С ними поддерживается двухсторонняя радиосвязь. Такие зонды позволяют проводить исследования там, где человек присутствовать не может. Или, что бывает чаще, их миссии без возврата. То есть улетевший зонд никогда не вернётся на Землю.

Хотя все эти технологии – воплощение технического уровня нашей цивилизации, они всё равно не позволяют достоверно исследовать хоть сколь-нибудь отдалённые космические тела.

Как получилось, что в центре крупных галактик встречаются чёрные дыры?

Из множества миллиардов галактик, составляющих наблюдаемую Вселенную, более миллиона уже были проанализированы. В центрах многих крупных галактик присутствуют чёрные дыры. Как так вышло? Чтобы понять это, нужно вернуться к самому началу — к Большому взрыву. Материя и энергия вырываются наружу и Вселенная начинает расширяться. Именно Большой взрыв даёт нам все компоненты для рождения: водород, гелий и другие элементы.

В течение десятков миллионов лет облака водорода сливались, становясь всё плотнее. Некоторые становятся такими горячими, что воспламеняются. Рождаются первые звёзды — гиганты, размером в сотни раз превышающие наше Солнце. Они быстро выгорают и взрываются, образуя вспышку сверхновой. Более крупные галактики поглощают более малые галактики, и если одна галактика съедает другую, в центре которой была чёрная дыра, значит она съедает и эту чёрную дыру. Она перемещается в центр новой галактики, делая её больше.

Что такое черная дыра

Черная дыра — это область внутри космоса с настолько сильной гравитацией, что она засасывает все вокруг, включая свет. Профессор РАН Сергей Попов объясняет, что у черных дыр нет одного четкого определения, и даже такое — это один из вариантов. Если спросить разных ученых — астрофизиков и физиков — они подойдут к ответу с разных сторон. Есть энциклопедические словари, которые закрепляют определения и дают конкретные ответы, но единственно верной формулировки не существует.

Лекция Сергея Попова о черных дырах на YouTube

Сам Сергей определяет черные дыры как максимально компактный объект, который не демонстрирует свойств поверхности. И размер этого объекта соответствует радиусу Шварцшильда — расстоянию от центра тела до горизонта событий. Где горизонт событий — это «точка невозврата» или граница черной дыры. Для каждого объекта существует свой радиус Шварцшильда, который можно рассчитать. Если сжать любой предмет до этого радиуса, он превратится в черную дыру. Условно говоря, если бы мы хотели сжать Солнце и трансформировать его в черную дыру, его радиус составил бы всего 3 км, при изначальных около 700 тыс. км.

Футурология

Космонавты опять сняли НЛО: объясняем самые известные снимки из космоса

Само словосочетание «черная дыра» — это просто удачно придуманное обозначение. Примерно как «Большой взрыв». Сама идея черных дыр возникла в конце XVIII века. Тогда их называли по-другому: были варианты «застывшие звезды» или «коллапсары». Но в итоге научная журналистка Энн Юинг предложила такой термин.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Сергей рассказывает, что в науке часто приживается какое-то словосочетание именно благодаря тому, что оно удобное. Дыра — потому что, если что-то туда попало, то не может выбраться назад. А черная — потому, что сам по себе этот объект ничего или практически ничего не излучает. Если представить пустую Вселенную, черный космос, и поместить там черную дыру, то ее невозможно будет увидеть. Она ничем не выделяется на фоне этой черноты.

Насколько огромными бывают черные дыры?

Самые маленькие — размером с крупный мегаполис,а размеры самых больших совершенно не с чем сравнивать. О маштабах черных дыр,известных в 2018 году,рассказывает новый ролик канала Harry Evett.

В этом году ученые с помощью телескопа ALMA впервые сфотографировали окрестности черной дыры, которая находится в центре активного ядра галактики М77, и измерили диаметр окружающего ее газопылевого кольца. Самой черной дыры на снимке, конечно, не видно, потому что черные дыры не излучают свет, который могли бы уловить телескопы. Если мы когда-нибудь получим снимок черной дыры и ее окрестностей, на нем будет виден только дик аккреции и окружающее его кольцо материи, заметный, поскольку в нем на субрелятивистских скоростях носятся частицы, выделяя энергию в виде электромагнитного излучения. Возможно, снимок окрестностей черной дыры Sagittarius A*, которая находится в центре нашей галактики, появится уже в этом году. Пока же что о том, как выглядят черные дыры, мы знаем только по представлениям художников. Зато мы знаем их массу и размеры, и они просто не укладываются в голове. Новый ролик о масштабах черных дыр позволяет получить хотя бы примерное представление о том, насколько огромными они бывают.

Диаметр некоторых черных дыр не больше протяженности большого города, скажем, Лондона, но весит такая «кроха» как пять тысяч Солнц; радиус других сравним с радиусом земного шара, но масса их при этом в пять миллионов больше, чем у нашей планеты. Еще немного о Солнце: самые легкие из известных черных дыр всего впятеро массивнее нашей звезды, но при этом в в 100 тысяч раз компактнее. Черная дыра, которая находится в центре Млечного Пути — относительный тяжеловес, но далеко не рекордсмен ни по массе, ни по размерам, хотя и весит как 4 миллиона Солнц. Она просто теряется на фоне, скажем, дыры в центре галактики Messier 60, масса которой составляет 4,5 миллиарда солнечных. Примерно с этой массы начинается класс ультрамассивных черных дыр, самые большие из которых заставляют даже 4,5 млрд Солнц казаться пушинкой. Самая большая (и массивная) из известных черных дыр — та, что находится в центре квазара TON 618: 66 миллиардов солнечных масс. А о том, насколько велика Вселенная, можно получить представление, посмотрев нашу подборку роликов о масштабах космоса.

Что мы знаем о космосе

На данный момент технологическое развитие человеческой цивилизации весьма примитивно во вселенских масштабах.

• Ни один живой человек не сможет долететь до соседней звезды – Альфа Центавра. Это делает исследования окружающего пространства весьма затруднительными.
• Все наши представления об удалённых звёздах и планетах базируются на наблюдения через телескопы и детекторы частиц.
• Наблюдения дают некоторое представление и позволяют строить теории. Некоторые из них можно подтвердить экспериментами на практике.

Хотя люди изучают Солнечную систему и галактику очень давно, всё равно наши знания о космосе недостаточны.

Что такое черная дыра

Начнем с теории. Мы знаем, что объекту, например человеку или ракете, для того чтобы покинуть планету Земля и улететь, скажем, на Марс, нужно стартовать с поверхности со второй космической скоростью, которую очень легко посчитать по формуле . То есть все, что нам нужно знать для расчетов, это массу () и радиус объекта (), не забудем уточнить в справочнике и величину гравитационной постоянной (). Для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с.

Ученые уже сто лет пытаются проверить общую теорию относительности Эйнштейна и, в частности, постулаты, лежащие в ее основе. Один из них, который знают абсолютно все, это постулат о скорости света, согласно которому скорость света в вакууме — это максимальная скорость, которую можно достичь в нашей Вселенной. Так что, если у вас есть объект, достаточно массивный и достаточно компактный, он будет черной дырой. Почему черной? Потому что, напоминаю, с него ничего не может улететь, в том числе свет, который в норме показал бы черную дыру во всей красе.

Чтобы узнать размер черной дыры, можно использовать формулу второй космической скорости, заменив V2 на c2 (скорость света в квадрате). Размер черной дыры определяет горизонт событий. Он находится на расстоянии от центра, где вторая космическая скорость равна скорости света, — это расстояние называется гравитационным радиусом, или радиусом Шварцшильда, и вычисляется по формуле .

Чтобы вы представили себе, насколько это большие объекты, давайте сделаем черную дыру из чего-то знакомого, например из Земли. Если мы сожмем Землю, гравитационный радиус для черной дыры, которую мы из нее сделали, будет равен 9 миллиметрам. Если мы сожмем Солнце, сделав из него черную дыру, черная дыра с массой как наше Солнце будет иметь диаметр 6 километров. Под этими тремя километрами гравитационного радиуса ничего нельзя будет увидеть.

Ученые считают, что массивные черные дыры находятся в центрах других далеких галактик, а также в центре нашей Галактики. Вокруг центра активной галактики располагается диск из пыли и газа, и из внутренних областей этого диска вещество «падает» на черную дыру, в центр. При этом около 10% этого вещества выбрасывается наружу в виде узких горячих джетов. Вместе с веществом на центральную сверхмассивную черную дыру также «падает» и магнитное поле, которое накапливается в «пружину». Электромагнитная пружина в состоянии вытолкнуть наружу материю и даже ускорить ее до скоростей, очень близких к скорости света. Из этих разогнанных струй астрономы могут наблюдать излучение электронов.