Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Сценариев образования черной дыры может быть несколько. Самые реалистичные рассматривают сжатие материи в очень маленький объем. Как правило черная дыра – это маленький трупик звезды. Как было сказано в предыдущей главе, любая звезда – это огромный газовый шар, в котором действуют силы гравитации, которые стараются сжать его. Им противостоят силы внутреннего давления, возникающие из-за колоссальной температуры термоядерных реакций внутри звезды. Кстати, это словно воздушный шарик: давление изнутри распирает его, но в то же самое время оболочка стягивает его, сдавливает. Вот в таком балансирующем состоянии находится Солнце, да и любая звезда на небосводе.

Но когда запасы топлива заканчиваются, распирающая сила пропадает, и звезда начинает сжиматься под действием собственной гравитации. И если она сожмется меньше определенного радиуса, который называется радиусом Шварцшильда, то она станет черной дырой.

Черная дыра из пончика

На самом деле любой объект обладает таким радиусом. Можно взять человека, и если каким-то неимоверным образом сжать его до размеров в 20 миллиардов раз меньше электрона, то тогда он станет черной дырой. Если взять пончик, айфон, куропатку, арбуз, семечку, учителя географии, Кремль и сжать до определенного радиуса, то образуется маленькая черная дыра.

Землю нужно сжать до размеров черешни, Солнце – до шара диаметром 6 километров. Звезды тяжелее трех солнц уже сами по себе могут сжаться до черной дыры, только за счет собственной гравитации. Меньшим объектам не хватает массы и, соответственно, гравитационного сжатия, чтобы этого достигнуть.

Черные дыры без сжатия

Интересно, что средняя плотность черной дыры тем меньше, чем больше ее масса. Например, если черная дыра в 135 миллиардов раз тяжелее Солнца, то ее средняя плотность будет равна плотности воды. Только представьте, если взять всю воду на Земле, потом еще столько же, и еще столько же, и так 2000 миллионов миллиардов раз, и собрать всю эту воду где-то в космосе в огромную-огромную каплищу, то она станет черной дырой! И ничего сжимать не придется.

Устройство черной дыры

Но что находится внутри черной дыры? Как она устроена? Под действием колоссальной гравитации вся материя сжимается в одну точку. Эта точка имеет бесконечную плотность и называется сингулярностью. Вокруг нее образуется область, из которой ничто не может выбраться, даже свет. Ограничена эта область пространства так называемым горизонтом событий.

Падение в черную дыру (с точки зрения наблюдателя)

Интересно, а что же произойдет, если вы упадете в черную дыру? Сначала посмотрим со стороны вашего предполагаемого напарника. Тут будут сказываться эффекты общей теории относительности. В области с сильной гравитацией время течет медленней относительно областей со слабой гравитацией. Поэтому со стороны будет видно, что по приближении к горизонту событий ваша скорость уменьшается и уменьшается. Вы движетесь все медленней и застываете вблизи горизонта событий. Ваш напарник никогда не увидит, как вы пересекаете его, ведь там время останавливается полностью (с точки зрения стороннего наблюдателя, конечно). Более того, световые волны, отраженные от вас, будут испытывать все большее красное смещение и тускнеть. Так что напарник увидит, как вы потихоньку краснеете, тускнеете и в итоге исчезаете.

Падение в черную дыру (с точки зрения падающего)

Однако для вас все будет происходить совсем по-другому! Если черная дыра достаточно большая, то вы спокойно пролетите горизонт событий, ничего не заметив. Ведь внешне эта граница в пространстве особо ничем не примечательна, хотя обратно дороги уже не будет. Другое дело, что в какой-то момент времени вы превратитесь в спагетти! То есть вы почувствуете, что вас начинает вытягивать по направлению к сингулярности. Ученые решили назвать этот процесс креативно – спагеттификация. Происходит он из-за того, что гравитационное поле вокруг сингулярности очень неоднородно. Чем ближе к ней, тем оно сильнее, поэтому ваши ноги будут притягиваться намного сильнее, чем голова, и будет происходить такое вот растяжение. Так что вас разорвет еще до подлета к точке сингулярности. Ну а когда атомы, из которых вы состоите, все-таки упадут на нее, что будет с ними происходить, пока загадка.

Черные дыры являются крайне интересными объектами даже для теоретиков, ведь в них проверяются научные теории в экстремальных условиях. Опасаться их тоже не стоит, просто так они по космосу не летают. Но если уж вас и занесет в одну такую, просто наслаждайтесь, не каждому уготована такая судьба.

5.4.1. Почему черная дыра притягивает свет, если у него нет массы?

Каким образом черные дыры притягивают свет при помощи гравитации, если он не имеет массы?

Действительно, у фотона нет массы покоя, и, казалось бы, гравитация на него не должна действовать. Тогда почему говорят, что свет не может покинуть черную дыру?

Дело в том, что массивные тела (звезды, планеты… рюкзаки первоклашек…) искривляют пространство-время. А в искривленном пространстве свет может двигаться уже не по прямой, а по искривленной траектории, даже по замкнутой. Этот эффект подтвержден экспериментально: например, свет от далеких звезд искривляется, когда проходит вблизи Солнца. А вот около черной дыры пространство искривлено настолько сильно, что свет просто не может, грубо говоря, взобраться на слишком крутую стену искривленного пространства. Вот истинная причина черноты черных дыр.

5.5. Как далеко можно увидеть в телескоп?

С первобытных времен человек всегда хотел заглянуть за горизонт. Ему было интересно, что там? Есть ли край света? Если да, то что там происходит?

После Великих географических открытий не осталось сомнений, что у Земли нет края. Это всего лишь шар, вращающийся вокруг Солнца наряду с другими планетами.

После изобретения телескопа были открыты самые далекие планеты Солнечной системы. Стало понятно, что Солнце – это всего лишь одна из миллиардов звезд, которые мы каждую ночь видим на небосводе. Все эти звезды входят в огромную галактику Млечный Путь, диаметр которой 9,46 × 1017 километров.

И, как оказалось, наша галактика – это только одна из миллиардов галактик, которыми наполнена наша вселенная. Они объединяются в кластеры, скопления, и их очень много.

Это колоссальные масштабы, и то, что сейчас люди знают об этом, только доказывает гениальность человеческого разума. Но что дальше? Может, этот океан галактик тоже является частью чего-то большего?

Ну хватит, хватит!

Предел дальности современных телескопов

Давайте разберемся, насколько далеко в космос удалось заглянуть современным телескопам. Одни из самых глубоких изображений космоса дает орбитальный телескоп «Хаббл». В 2004 году он сделал фотографию маленького кусочка неба, на котором около 10 звезд, а все остальное – другие галактики. Среди них есть крошечная красная точка. Это самая удаленная обнаруженная галактика. Только представьте, фотоны от нее летели к нам 13,42 млрд лет! И все ради того, чтобы мы ее увидели.

Интересно то, что она очень красная. Дело в том, что вселенная расширяется, и все галактики удаляются от нас. Это как будто на воздушный шарик наклеить пуговицы и начать надувать его. Пространство, в котором находятся галактики-пуговицы, будет раздуваться. Причем пуговицы не расширяются, так как между молекулами действуют силы притяжения, точно так же, как и галактики, где действуют гравитационные силы притяжения.

Из-за удаления световые волны испытывают красное смещение, то есть их длина волны увеличивается и свет смещается в красную сторону спектра. Так что все далекие объекты – красные. Причем чем дальше галактика, тем быстрей она удаляется, тем сильней ее красное смещение.

Большие надежды мы возлагаем на новый орбитальный телескоп имени Джеймса Уэбба, который будет видеть в инфракрасном диапазоне, поэтому сможет показать нам еще более удаленные части космоса.

Но на самом деле есть еще более далекий объект, который виден в телескоп. Это реликтовый фон. Дело в том, что наша вселенная не такая уж и старая, ей всего 13,8 млрд лет. Поначалу она была молодая, горячая и испускала море излучения. Но через 400 млн лет подостыла и значительно расширилась, поэтому свет стал очень долго беспрепятственно распространяться из одной точки в другую. Реликтовое излучение – это тот свет, который образовался 400 млн лет назад и только сейчас смог до нас дойти из самых дальних точек нашей вселенной. Это излучение достаточно однородно и приходит со всех точек небесной сферы. Оно тоже удаляется и поэтому испытывает красное смещение. Но оно настолько сильно, что волны смещаются в микроволновую область. Так что его видно только в радиотелескопы, а глазами вы, конечно же, его никогда не увидите.