«Невидимки» в космосе. Как устроены черные дыры и что будет, если в них попадет человек

Точного определения термина «черная дыра» в физике нет. Ученые по-разному интерпретируют это понятие, но сходятся во мнении, что так можно назвать область космоса с очень сильным гравитационным притяжением. Это значит, что любые предметы, объекты и явления, попадающие в черную дыру, не могут вернуться обратно.

У каждой черной дыры есть граница, которая называется горизонтом событий. Черные дыры притягивают к себе материю, а она образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру, которая быстро вращается и светится за счет взаимодействия сил трения и гравитации. Такие вращающиеся черные дыры называются сфероидальными. Но есть и другие дыры, которые вращаться не могут, — их называют сферическими.  

Черные дыры бывают нескольких типов:

• Черная звезда звездной массы. Эти небесные тела размером не превышают трех масс Солнца.
• Черная звезда средней массы. Это объект, который увеличился в размерах за счет поглощения газовых скоплений либо соседней звезды в системах парных звезд. Вес такой черной дыры составляет от 10 до нескольких десятков масс Солнца.
• Сверхмассивные черные дыры. Вес этих небесных тел достигает 105–1011 масс Солнца.
• Ультрамассивные черные дыры. На данный момент известно только о двух представителях данного вида. Первое небесное тело массой 40 миллиардов масс Солнца находится в галактике Holm 15A. Вторая черная дыра существует в созвездии Гончих Псов — это TON 618, ее масса равна 66 миллиардов масс Солнца.

Свое название эти космические объекты получили не из-за цвета, а из-за особенного свойства — черные дыры способны только поглощать излучение. Эти небесные тела нельзя увидеть, свет от них не исходит, поэтому их условно назвали черными. О существовании черных дыр можно узнать только, если вокруг них есть какая-то материя, с которой они вступают во взаимодействие, — например, газ или соседняя звезда.

Ученые предполагают, что в космосе существуют и противоположности черных дыр — белые дыры. Если черная дыра — это место, из которого ничего не возвращается, то белая дыра — это место, куда ничего не попадает. Но на сегодняшний день существование таких объектов не доказано.

Впервые идею о существовании черных дыр выдвинул английский ученый Джон Мичелл в 1784 году. Он считал, что в космосе есть небесные тела с таким сильным гравитационным притяжением, что скорость, которая нужна для его преодоления, выше скорости света. Тогда на эту теорию не обратили внимания. 

Только спустя 121 год Альберт Эйнштейн выдвинул теорию относительности, которая рассматривала гравитацию как искривление пространства-времени. В 1916-м немецкий астроном Карл Шварцшильд фактически описал гравитационное поле невращающейся черной дыры, а спустя 57 лет физик из Новой Зеландии Рой Керр доказал, что загадочный небесный объект может еще и вращаться.

Впервые «коллапсар», так тогда называли черную дыру, ученые обнаружили в 1964 году. Небесное тело находилось в созвездии Лебедя, от которого исходило радиоизлучение. Термин «черная дыра» впервые употребил американский физик Джон Уиллер три года спустя. А первое фото физического явления появилось лишь в 2019 году — международная группа астрономов использовала восемь радиотелескопов, чтобы получить самое подробное изображение центрального объекта галактики М87.

Первые попытки поиска черных дыр ученые предприняли в 1960-е годы — до этого просто не существовало телескопов, которые могли бы дать качественное изображение. Физики выдвинули гипотезу, что большие звезды рождаются парами и одна из них спустя время становится черной дырой. Поэтому изначально ученые пытались обнаружить космический объект, который вращается вокруг другого «невидимого», и вычислить черную дыру с помощью расчетов. Но таким методом ни одну черную дыру так и не нашли.

Физики предположили, что черные дыры, которые находятся рядом со звездами, могут притягивать их с помощью гравитации. В конце 1960-х — начале 1970-х на ракеты установили рентгеновские детекторы, которые действительно смогли зафиксировать яркое излучение от циркулирующего вокруг черной дыры газа. Так были обнаружены первые черные дыры.

Чтобы найти подтверждение существования черных дыр, ученые также изучали квазары — активные ядра галактик на начальном этапе развития, излучающие яркий свет. В ходе наблюдений они выяснили, что внутри этих объектов находятся сверхмассивные черные дыры. По словам астрофизика Сергея Попова, на сегодняшний день это самый понятный способ поиска черных дыр и новые загадочные небесные тела все чаще открывают именно так.

Обнаружить эти небесные тела в космосе можно, если зафиксировать гравитационно-волновой всплеск, который возникает при слиянии двух черных дыр. А также эти объекты сильно искажают пространство вокруг себя или могут усилить блеск звезды — и невольно подать астрофизикам сигнал.

Ученые выделяют несколько причин образования черных дыр. По одной из них, эти небесные тела появились вследствие сжатия очень массивной звезды под действием гравитационных сил. Согласно второй гипотезе «схлопывается» под собственным весом не отдельная звезда, а часть галактики. Также, по мнению физиков, эти небесные тела могли появится после Большого взрыва из-за расширения Вселенной. Такие объекты еще называют первичными черными дырами. И наконец, физические явления могли возникнуть в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.

Исчезают черные дыры или нет, точно неизвестно. Существует гипотеза, что черные дыры со временем теряют свою массу и просто испаряются. Но согласно классической теории гравитации эти небесные тела — объект неуничтожимый.

Дна в черной дыре нет. Считается, что небесное тело бесконечно. В черной дыре не работают привычные нам понятия «пространство» и «время» и не действуют известные законы физики. Но некоторые специалисты предполагают, что в небесном теле есть участок, где космическая материя сжимается до маленькой точки, и сила тяжести там может поменяться. 

Некоторые ученые считают, что при попадании в черную дыру космонавта ждет неминуемая гибель. Человека может убить радиация, он может сгореть в облаках газа аккреционного диска или растянуться по вертикали и горизонтали из-за сильнейшего гравитационного давления.

В 2021 году группа астрофизиков из США назвала условия, при которых человек может относительно безопасно пересечь горизонт событий черной дыры: вокруг нее не должно быть аккреционного диска и она должна быть сверхмассивной. Но поставить такой эксперимент невозможно: ближайшая черная дыра находится на расстоянии 1600 световых лет от Земли, выбраться из нее невозможно, как и передать оттуда какую-либо информацию.

Для Земли черные дыры могут представлять вполне реальную опасность. Гравитация небесного тела способна нарушить орбиту планеты и «передвинуть» ее ближе к Солнцу или дальше от него, и столкнуть с другой планетой. Однако Земля находится слишком далеко от известных ученым черных дыр, поэтому астрофизики продолжают изучать эти космические объекты: наблюдать за известными и искать новые.

Загадочные небесные тела остаются одними из самых популярных объектов для изучения в астрофизике, считает старший научный сотрудник головного академического института по исследованию и использованию космического пространства (Института космических исследований РАН) Олег Цупко. По его словам, такой интерес вызван необычными свойствами этих небесных тел. К тому же, они описываются в одной из основных теорий в физике — общей теории относительности Эйнштейна. «Изучение черных дыр и любое подтверждение их существования и свойств вносят огромный вклад в наше понимание того, как вообще устроен мир», — говорит Цупко.

Подготовила Ирина Филиппова