Чёрные дыры: что известно и как их увидели

Начнём со второй космической скорости

Подбросьте мяч: он взлетит и упадёт. Чем сильнее бросок, тем выше он поднимется. Если бросить его со скоростью 11,2 километра в секунду, он улетит от Земли навсегда. Это вторая космическая скорость. Она зависит от массы планеты и её радиуса.

v = √(2GM / R)

Если сжимать планету, не меняя массы, радиус уменьшается, и скорость убегания растёт. Однажды она станет больше скорости света, 300 000 километров в секунду. Тогда ничто, даже свет, не сможет вырваться. Это и есть чёрная дыра.

Удивительно, но эту мысль высказал ещё в 1783 году английский священник и учёный Джон Мичелл. Он называл такие объекты «тёмными звёздами». Строгую теорию дала общая теория относительности Эйнштейна: в 1916 году Карл Шварцшильд нашёл её решение, описывающее чёрную дыру.

Горизонт событий

Граница, из-за которой нет возврата, называется горизонтом событий. Это не поверхность, о которую можно удариться, а воображаемая сфера. Всё, что пересекло её, уже не сможет выбраться и подать сигнал наружу.

Радиус горизонта называют радиусом Шварцшильда. Для разных тел он такой:

Солнце не станет чёрной дырой: ему не хватит массы. Так заканчивают жизнь только звёзды, которые в двадцать и более раз тяжелее Солнца.

Откуда они берутся

Звезда светит, потому что в её центре идут термоядерные реакции. Энергия давит наружу и не даёт звезде сжаться под собственным весом. Когда топливо заканчивается, давить становится нечем. Лёгкая звезда тихо остывает, а очень массивная взрывается сверхновой, и её ядро схлопывается в чёрную дыру.

Есть и сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, массой в миллионы и миллиарды Солнц. Как они успели так вырасти, одна из загадок, над которой сейчас работает и телескоп «Джеймс Уэбб».

В центре нашей Галактики, Млечного Пути, сидит чёрная дыра Стрелец A* массой около четырёх миллионов Солнц. Её существование доказали, десятилетиями наблюдая за звёздами, которые обращаются вокруг пустого с виду места с огромной скоростью. За эту работу Райнхард Генцель и Андреа Гез получили Нобелевскую премию по физике 2020 года, вместе с Роджером Пенроузом, доказавшим, что чёрные дыры неизбежно следуют из теории Эйнштейна.

Как их услышали и увидели

Гравитационные волны, 2015

Когда две чёрные дыры кружатся вокруг друг друга и сливаются, они раскачивают само пространство, и по нему бегут волны. Эйнштейн предсказал их сто лет назад, но считал, что их никогда не удастся заметить: волна, дошедшая до Земли, меняет расстояние в четыре километра на величину в тысячи раз меньше протона. 14 сентября 2015 года детекторы LIGO в США эту волну поймали. Слияние произошло больше миллиарда лет назад. В 2017 году за это открытие дали Нобелевскую премию.

Первая фотография, 2019

Саму чёрную дыру увидеть нельзя, но можно увидеть её тень на фоне раскалённого газа, который вокруг неё вращается. Для снимка нужен телескоп размером с Землю. Его собрали из радиотелескопов на разных континентах, которые одновременно наблюдали одну точку, а затем объединили данные. Проект назвали «Телескоп горизонта событий».

В апреле 2019 года опубликовали снимок чёрной дыры в центре галактики M87: светящееся оранжевое кольцо с тёмным пятном внутри. Данные собирали и обрабатывали два года, жёсткие диски везли самолётами, потому что передать петабайты по интернету было бы медленнее. В 2022 году показали снимок нашего Стрельца A*.

Что будет, если туда упасть

Возле небольшой чёрной дыры притяжение к ногам падающего человека намного сильнее, чем к голове. Разница растягивает тело в длинную нить. Физики называют это спагеттификацией, и это не шутка, а настоящий научный термин.

Возле сверхмассивной чёрной дыры разница меньше, и горизонт можно пересечь, ничего особенного не почувствовав. А вот для наблюдателя снаружи падающий будет замедляться, краснеть и тускнеть, как будто застывая у горизонта навсегда. Время рядом с чёрной дырой идёт медленнее, это тоже следствие теории относительности.

Испаряются ли чёрные дыры

В 1974 году Стивен Хокинг показал, что с учётом квантовой механики чёрные дыры должны очень слабо излучать и медленно терять массу. Для дыр массой со звезду это излучение настолько слабое, что за время жизни Вселенной они почти не уменьшаются. Обнаружить излучение Хокинга пока никому не удалось, но идея изменила физику: она впервые соединила теорию гравитации с квантовыми законами.

Частые вопросы