Статья удалена
Теории и факты о самых загадочных объектах космоса.
Вокруг сверхплотных космических объектов, называемых «Чёрными дырами», существует множество домыслов: начнём с того, что они вовсе не чёрного цвета, и это вовсе не дыры, а скорее всего бывшие звёзды. Один из ближайших объектов такого типа находится в созвездии Лебедя в 8 тысячах световых лет от Земли, он в 12 раз тяжелее Солнца.
Наука пока не отвечает достоверно на вопрос, как образовались Чёрные дыры. По одной из теорий, переход в сверхплотное состояние так называемой «сингулярности» — финальная стадия жизни звезды, ее коллапс.
Вообразим звезду в космосе, ставшую настолько плотной, что внутри нее возникает гигантская гравитация — она притягивает не только вещество, но и кванты света. Затем звезда переходит в иное состояние. Снаружи наблюдатель не видит захваченный объектом свет, а значит и сам объект ощутим, но невидим. Мы лишь предполагаем, что происходит внутри такой «дыры» — суть лежит за гранью понимания современной науки.
Сегодня астрофизики исследуют только границу Чёрной дыры, так называемый «горизонт событий» — гравитационный барьер между ней и Вселенной. Чем ближе к горизонту, тем сильнее искривление пространство-времени, а как только путешественник «падает» внутрь дыры — предполагается, что и пространство, и время (какими мы их знаем с точки зрения физики нашей Вселенной) перестают для него существовать.
Условный космический корабль, попавший в дыру, переходит в безвременное статическое состояние. Очень условный корабль, потому что на подлёте к горизонту событий он распадётся на атомы, которые после станут частью общей внутренней сингулярности. Для наблюдателя со стороны, вся эта субстанция будет бесконечно долго падать в пустоту. Для корабля пройдут доли секунды.
10 апреля СМИ взорвались сенсационной новостью с первыми «фотографиями» Чёрной дыры в галактике Messier 87, их сделали мощные радиотелескопы на разных континентах, объединенные в сеть. Отбросив спекуляции, что же мы действительно увидели?
Саму Чёрную дыру увидеть нельзя, это тёмная область посредине снимка. Ее окружает тень, возникшая из-за гравитационного искривления света. Чёрная дыра вращается, вокруг нее крутится так называемый «аккреционный диск» вращающихся газов. Окуните прямую палку вертикально одним концом в воду и покрутите другой ее конец, аналогия будет понятна.
Расстояние от края до края видимой области — 100 миллиардов километров, на порядок больше нашей Солнечной системы. Угловая скорость вращения объекта — миллион километров в час. Масса — 6 миллиардов Солнц! Это немыслимые цифры, человеческий мозг отказывается их воспринимать.
Более того, объект расположен в 50 миллионах световых лет от Земли. Мягко говоря, снимок не самый актуальный — фиксировалось радиоизлучение, но и оно не может двигаться быстрее света. Мы наблюдаем события далёкого прошлого. А красивое желто-красное свечение приведено для наглядности, картинка прошла пост-обработку, которая заняла два года.
Главный вывод: теоретические выкладки нашли своё подтверждение. Горизонт событий у «невидимого нечто» существует. Точнее, в конкретном случае, существовал когда-то.
В космологии математические теории переходят в практику долго: в начале прошлого века расширение Вселенной обнаружил Хаббл, затем Гамов задался вопросом «Из какой точки всё началось?». А после открытия и подтверждения реликтового излучения в конце века, теория Большого взрыва стала базовой в описании образования мироздания.
Поэтому, для понимания природы Чёрных дыр, сделаем экскурс в теорию относительности. Ведь формально, по Эйнштейну, Чёрные дыры вообще не должны существовать.
Сейчас я улечу, и мы вряд ли увидимся. Но когда я вернусь, в следующий раз, вас уже не будет. Дело в том, что время на небе и на Земле летит неодинаково: там — мгновения, тут — века. Всё относительно.
В 1783 году о космосе было известно мало, а наблюдения велись в оптические телескопы. Британский астроном Джон Мичелл задался чисто теоретическим вопросом: что случится, если звезда станет настолько большой, что ее не сможет покинуть свет?
На тот момент уже было известно, что у космических тел существует «скорость убегания» — минимальная скорость, при которой с него можно улететь. Так, для Земли это 40 тысяч км/ч — скорость любого объекта, при которой влияние гравитации Земли уже недостаточно, чтобы объект удерживать.
В своих вычислениях, Мичелл приравнял скорость убегания к скорости света (примерно 1 миллиард км/ч) и получил абсолютно невидимый внешнему наблюдателю объект, внутри которого находится «запертый свет».
Теория Мичелла выглядела настолько странной для своего времени, что ее даже не стали клеймить позором, а благополучно забыли. Вплоть до 1905 года, когда скромный работник патентного бюро опубликовал ряд статей, которые перевернули современную физику с ног на голову.
Математические исследования Эйнштейна воплотились в две теории относительности: специальную и общую.
Специальная теория утверждала, что при движении, близком к скорости света, время замедляется, а масса движущегося тела увеличивается. И расстояние сокращается быстрее, чем объект движется (относительно наблюдателя внутри самого объекта). Также теория связала материю и энергию через известную формулу E=mc в квадрате.
Общая теория относительности рассматривала гравитацию, как побочный результат искривления пространства-времени. Гравитация, в Ньютоновском представлении «силы», объявлялась иллюзией. Представьте мячик, падающий на резиновое полотно. Мячик искривляет пространство полотна, погрузившись внутрь, вокруг него образуется подобие воронки. Теперь заменим «пространство» на «пространство-время».
Уравнения Эйнштейна предполагали красивую статическую Вселенную, не склонную к расширению, но они никак не хотели математически сходиться.
Никак не вписывались в мировоззрение Эйнштейна и Чёрные дыры: по его теории, объекты с сингулярностью не могли существовать. Грубо говоря, бесконечный рост гравитации не мог происходить в статической модели космоса.
Нужно было либо признавать расширение Вселенной, либо отказываться от собственных теорий. Но Эйнштейн придумал элегантное решение — ввести некую «космологическую постоянную», антигравитационную силу пространства (в качестве противодействия возрастающей гравитации), пока еще не изученную, но которая помогает уравнения решить. В результате, вычисления предсказуемо сошлись.
Это была ошибка. О чем сам Эйнштейн признавался позже, дословно как о «величайшей ошибке своей жизни». Космологическая постоянная стала ненужной, когда стали появляться доказательства расширения Вселенной — оказалось, что уравнения Эйнштейна просто не имеют статического решения.
В 1916 году немецкий физик Карл Шварцшильд, в боевых условиях Первой мировой войны, буквально под обстрелом артиллерийских снарядов, нашел точные решения уравнений Эйнштейна для сверхмассивных звезд, в том числе для Чёрных дыр — убрав из них назойливую константу. И отправил свои выкладки соотечественнику Альберту.
В том же году Шварцшильда комиссовали с фронта по болезни. Он вскоре умер, так и не узнав о больших последствиях своего открытия. Учёный подружил теорию относительности с сингулярностью, а дальнейшее развитие технологий позволило глубже заглянуть в далёкий космос. И получить практические доказательства фантастических, но доселе умозрительных предположений.
Космология стартанула вверх, как ракета, внезапно преодолевшая скорость убегания.
Что будет, если сжать Землю до размера шарика, с диаметром 1 сантиметр? Она превратится в Чёрную дыру. Почему именно сантиметр? Это и определил Шварцшильд в своих вычислениях — минимальный радиус, при котором объект становится сингулярностью.
На границе такого объекта учёный представил некую «магическую сферу», которая не выпускает свет. Сегодня мы знаем, что эта сфера — горизонт событий, а радиус от центра объекта до края сферы получил название «радиус Шварцшильда».
Голландец Йоханнес Дросте доказал математически, что лучи света, не попавшие внутрь сингулярности, начинают кружить вокруг нее. А искривление времени на границе горизонта событий настолько сильное, что для наблюдателя со стороны объект замирает перед самым падением в «воронку». Сегодня это подтверждается наблюдениями.
Герман Вейль пошел еще дальше — предположив, что с другой стороны горизонта событий находится новая Вселенная.
Интересно, что эти теории высказывались при жизни Эйнштейна. В 1922 году он выступил на конференции в Париже, где заявил, что если бы подобные выдумки стали правдой, это стало бы настоящей катастрофой для его понимания науки. Все дискуссии о «тёмных звёздах» и каких-то там «магических сферах» великий физик по-прежнему отметал.
В 1932 Жорж Леметр доказал существование горизонта событий. Позднее, Говард Робертсон это подтвердил. Эйнштейн продолжал упорствовать, написав статью, в которой продолжил оспаривать существование «тёмных звёзд».
Всё больше крупных учёных, таких как создатель атомной бомбы Роберт Оппенгеймер, подключались к исследованиям и с разных сторон доказывали, что Чёрные дыры все-таки существуют. Правда, понимание процесса их образования и поведение были у каждого свои...
Вечер перестал быть томным, когда в 1935 году Эйнштейн внезапно заявил, что внутри Чёрных дыр расположены пространственно-временные порталы («Мост Эйнштейна–Розена»). Сегодня мы называем их червоточинами, «кротовыми норами».
Идея прохода в другое измерения была точно не нова. Преподаватель математики из Оксфорда по имени Чарльз Доджсон еще 1871 году рассказал о зеркалах, как о порталах в параллельный мир. Сделал он это в неком произведении «Алиса в Зазеркалье» — и да, под псевдонимом Льюис Кэрролл.
Движущей силой новых исследований Эйнштейна была ненавистная им сингулярность. Физик так и не смог примириться с мыслью, что гравитация частицы может со временем стремиться к бесконечности.
Эйнштейн и Розен пошли дальше, точнее глубже — в микромир, представив электрон как Чёрную дыру, применив к такому электрону общую теорию относительности и квантовую теорию поля. Модель воплотилась в виде Вселенных, соединенных горлышком, кротовой норой. Можно двигаться хть сверху вниз, хоть снизу вверх — обратно. Телепорт, по своей сути.
Разворачивая теорию обратно в макромир, проблема моста была в скорости его работы: двери открывались лишь на долю секунды. Если умозрительного путешественника не разорвёт гравитацией уже на подходе к горлышку, он просто не успеет провалиться в нижнюю Вселенную.
Фантастика или фантазёрство? Возможно. Но не забывайте, что это придумал величайший физик современности.
Ближе к концу прошлого века в космос полетели зонды, они буквально раскрыли глаза на межзвёзное пространство и поведение самих звёзд. Теория Роя Керра возникла в 1963 году, еще до эпохи программных космических полетов, но сегодня она подтверждается.
Керр предложил описать коллапсирующую звезду как вращающийся объект, со всё более возрастающей скоростью. У таких дыр есть удивительное свойство: в них можно упасть, не «разбившись», и дальше пролететь сквозь горлышко кротовой норы в другую Вселенную (но без возврата назад).
Критики теории Керра утверждали, что факт появления постороннего объекта вблизи такой дыры послужит причиной закрытия горлышка. Луч света, стремящийся к сингулярности, по ходу движения присоединит к себе огромное количество энергии и станет стражем-убийцей для любого, кто к горизонту событий подберётся.
Тем не менее, возвращаясь к «фотографии» от 10 апреля — это именно Чёрная дыра Керра. Что случилось бы, если рядом с ней оказался астронавт — никто пока не знает. Мы еще не научились летать за 50 миллионов световых лет.
Пока не научились. Но, очевидно, всё еще впереди! Ибо, как говорил один известный барон в упомянутом выше фильме...
Барон Мюнхгаузен славен не тем, что летал или не летал.
А тем, что не врёт.
В научном дискорде DTF — день открытых дверей круглый год. Попасть туда можно без вступительных экзаменов и SMS.
Автор поста проверял факты, а затем перепроверял. Но автор — не научный работник, а диванный сочинитель. Если вы наткнулись на фактическую ошибку в посте — отпишитесь в комментариях, я не обижусь и поправлю текст.
Мини-конкурс в комментариях к посту: автор самого популярного комментария получит в подарок электронную книгу Стивена Хокинга «Черные дыры и молодые вселенные». Можно на Литресе, Лабиринте, любом цифровом магазине, у издателя напрямую, разберёмся. Итоги через неделю.